Терагерцовая фононная спектроскопия висмутовых купратов (1105015), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Указанное взаимодействие сопровождаетсягенерацией когерентных раман - активных оптических фононов при “резонансных”смещениях на контакте Vres = ħphon/2e в диапазоне частот до 25 ТГц. Аналогичная тонкаяструктура обнаружена в работе на ВАХ стопок джозефсоновских SIS BSCCO контактов в1188Bi-2212, T = 4.2K, phonon structureBi-221266LIL2G44UD, T c=62KOSr0OBi-2Cu-4Sr-6Bi-8OCuOCuOCud I / d V , arb. un.dI/dV, arb.

un.2UD, T c=78KUD, T c=78K LILA0OD, T c=91K K1A-2B15-4OCu-102K3A-6OVD, T c=86KOVD, T c=86K B11C-12OCuOSrOCu OSr0OCuOCu OBi-810 20 30 40 50 60 70 80 90303540455055602eV, meV2eV, meVРис. 1. Фононные резонансы в оптимальноРис. 2. Фононные резонансы в монокристаллах Bi-2212 сдопированном монокристалле Bi-2212 (Т = 4.2разным уровнем допирования (Т = 4.2 К). ПрямоугольныеК). Монотонный ход частично подавлен.метки соответствуют ожидаемым положениям магнонногорезонансарежиме внутреннего эффекта Джозефсона. Генерация неравновесных оптических фононов впоследнем случае носит синхронизованный характер.При Т = 4.2 К на dI/dV-характеристиках Bi-2223 джозефсоновских контактовобнаружены двухфононные резонансы: (OSr + Sr) и (OSr + Cu), с частотами соответственно23.2 ТГц и 25.1 ТГц. Допирование образцов Bi-2212 и Bi-2223 не влияет заметным образомна спектр оптических фононов (Рис.

2). Установлено, что в исследованных спектрахмагнонный резонанс отсутствует.Основные особенности исследованного в настоящей работе эффекта хорошоописываются теорией Максимова, Арсеева и Масловой [3]. Обнаруженная в работе тонкаяструктура на ВАХ SIS BSCCO контактов указывает на существование сильного электронфононного взаимодействия в BSCCO.12В четвертой главе диссертации обсуждаются результаты экспериментальногоисследования внутреннего эффекта Джозефсона в контактах на микротрещине ввысокотемпературных сверхпроводниках Bi-2223 и Bi-2212 (Рис.

3). Внутренний эффектДжозефсона у допированных монокристаллов Bi-2212 и Bi-2223 при j || c наблюдался наестественных ультратонких ступеньках(с высотой от 1,5 нм до 30 нм), которые всегдаприсутствуют на поверхности криогенных сколов (техника break junction). Прямыеизмерения с помощьюSTM- техники показали, что высота этихнаноступенекпропорциональна половине элементарной ячейки c/2 = 1,5 нм (плоскость раскола проходитмежду двумя BiO-плоскостями).Отметим, что половина элементарной ячейки в с-направлении соответствует одному джозефсоновскому контакту. При перестройке контактамикрометрическим винтом в одном эксперименте можно переходить с одной наноступенькина другую и записывать их ВАХ поочередно (j || c).Выполненные нами исследования на большом числе стопочных Bi-2223- и Bi-2212контактов показали, что щелевое смещение Vgn, соответствующее пику динамическойпроводимости наноступенек - “проквантовано”, т.е.

меняется дискретно на одну и ту жевеличину, которая близка к щелевому напряжению для одиночного контакта (Vgn = n2/e ,где n - целое число) (Рис. 4). Последнее является прямым доказательством существования вкупратах внутреннего эффекта ДжозефсонаВ работе обнаружены признаки существования протяженной особенности ван Хова[4] на ВАХ стопочных Bi-2212 контактов при Т = 4.2 К вблизи оптимального допирования.Большая величина отношения 2/kTc  7 может быть следствием размытия сингулярностиван Хова с ростом температуры.В пятой главе диссертации приведены результаты исследования влияниядопирования на сверхпроводящую щель  в Bi-2212 с помощью андреевской, туннельной ивнутренней туннельной спектроскопии в широком температурном интервале 4.2 K  T  Tc.Расчеты сверхпроводящей щели s(T) из субгармонической щелевой структуры на ВАХмикроконтактов SnS- типа и из щелевой структуры на ВАХ туннельных контактов SIS- типапозволили заключить следующее:1.

Андреевская и туннельная спектроскопия дают практически совпадающие значениясверхпроводящей щели (T) при Т  Тс во всех исследованных образцах BSCCO.13Bi-2212, samp. B11A, OVD,T = 4.2 K, T c = 88K,  = 25 meV0,60,4I, mA; dI/dV, arb. un.dI/dV0,20,0-0,2-0,4I(V)-0,6-500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 500V, mVРис. 3.

I(V)- и dI/dV- характеристики стопки из восьмиРис. 4. . dI/dV- характеристики Bi-2212 нано-контактов, зашунтированной одиночным контактомступенек с разным числом SIS контактов при Т =(Bi-2212, передопированный образец B11A, Т = 4.2 К4.2 К ( = 25 мэВ). Хорошо видна дискретностьщелевого смещения Vgn = n∙(2/e).2. Сверхпроводящая щель (T) обращается в нуль при Т = Тс как у недодопированных, так упередопированных образцах BSCCO.3. В функции концентрации дырок p сверхпроводящая щель  меняется подобнокритической температуре Тс (скейлинг).

В пределах экспериментальных погрешностейотношение 2s/kTc не зависит от концентрации дырок, что косвенно указывает на фононныймеханизм спаривания.В шестой главе диссертацииобсуждаются результаты экспериментальногоисследования гигантской нестабильности на ВАХ Bi-2223- иBi-2212-наноступенек,заключающееся в периодическом переключении между ветвями ВАХ с достаточно высокойчастотой.В последнее время интенсивно разрабатываются компактные твердотельные источникиТГц-излучения для получения изображений в ТГц-диапазоне и для реализации ТГцспектроскопии в физических и биологических исследованиях. В качестве генераторов ТГц-14излучения (до 1 ТГц) были предложены и реализованы [20] оптимально допированныемонокристаллы Bi-2212, решетка которых в с- направлении фактически представляет собойестественную стопку SIS-контактов (внутренний эффект Джозефсона).

При пропусканиитока в с-направлении через наноструктуры Bi-2212 было обнаружено интенсивноемонохроматическое электромагнитное излучение в ТГц-диапазоне с мощностью до 5 W.Существенными достоинствами ВТСП материалов в качестве источников ТГц-излученияявляются: 1) высокое качество стопок идентичных SIS-контактов; 2) значительная величинасверхпроводящей щели (у оптимально допированной фазы Bi-2223 при Т = 4.2 К щель  = 35мэВ, что позволяет существенно расширить частотный диапазон генератора).Проведенные в последнее время исследования физических свойств ВТСП позволяютсделать ряд важных выводов:1) в теоретической работе [21] было показано, что для оптимально допированной фазы Bi2212 при гелиевых температурах частота генерации (частота переменного джозефсоновскоготока) может достигать величины 24 ТГц. Авторы при этом опирались на результатыэкспериментальных исследований, выполненных в [22];2) в работе [10] было показано, что при допировании висмутовых купратов существуетскейлинг сверхпроводящей щели и критической температуры.

В настоящей работе полученыэкспериментальные подтверждения эффекта скейлинга (глава 5). В самое последнее времяэтот эффект был также подтвержден в работе [23]. Таким образом, частотный диапазонВТСП джозефсоновских контактов максимален при оптимальном допировании;3) согласно модели Краснова – Шнидера [12, 13], для получения фононного лазерногоэффекта в сверхпроводнике необходим слоистый материал с четко выраженным внутреннимэффектом Джозефсона. Существование внутреннего эффекта Джозефсона в висмутовыхкупратах подтверждено в настоящей работе (глава 4);4) для получения максимального лазерного эффекта необходимо добиться совпаденияпротяженнойсингулярностиванХова(ПСВХ)суровнемФермивсверхпроводнике (оптимальное допирование).

Признаки существования ПСВХслоистомвблизиуровня Ферми у Bi – 2212 обнаружены в работе [24] и подтверждены недавно в работе [25].В настоящей работе ПСВХ обнаружена как в слабо недодопированных, так и в слабопередопированных образцах Bi – 2212 (глава 5).В некоторых случаях при гелиевых температурах нами зарегистрирована гигантскаянеустойчивость на ВАХ естественных стопок джозефсоновских контактов (наноступенек) уBi-2223 и Bi-2212. Обнаруженное нами периодическое переключение между ветвями15многоветвевой ВАХ наноступеньки может быть вызвано резонансной эмиссией 2Δоптических фононов в процессе рекомбинации неравновесных квазичастиц(модельКраснова-Шнидера [12, 13]). Уникальность висмутовых купратов, кроме всего прочего,состоит в том, что при гелиевых температурах существуют оптические фононные моды,энергия которых сравнима с энергией удвоенной щели 2. В случае, когда энергияоптического фонона Еопт совпадает с 2, в процессе рекомбинации квазичастиц возможнаэффективная передача энергии этой моде в стопках идентичных SIS-контактов присмещениях на индивидуальных контактах V ≥ 2/e.

Ширина зоны нестабильности при этомкратна удвоенной ширине щели у исследованных образцов. Физической причинойнестабильности на ВАХ может быть периодическое подключение к основной стопкеконтактов дополнительных контактов в основании наноступеньки. В равновесных условияхэти контакты заблокированы сверхтоком, критическое значение которого превосходиткритический сверхток основных контактов в стопке. Интенсивная генерация 2.-фононов(согласно модели Краснова) в стопке может приводить к понижению критическогоджозефсоновского тока в контактах в основании стопки, что вызовет появлениедополнительных ветвей на ВАХ и перераспределение напряжения на контактах.

Условиярезонанса при этом могут быть нарушены, в результате чего поток неравновесных 2фононов может прерваться. Описанный процесс может иметь циклический характер.Следует отметить, что обнаруженная в работе нестабильность на ВАХ Bi-2212- и Bi2223-наноступенек быстро гасится с ростом температуры. Одна из возможных причин –падение сверхпроводящей щели с ростом температуры, что приводит к уходу с резонанса(условие Еопт = 2 больше не выполняется).Обнаруженная в настоящей работе гигантская нестабильность на ВАХ ВТСП наноступенек, предсказанная в работах Краснова, а также Овчинникова, Кресина и Вольфа,указывает на фононный механизм спаривания в висмутовых купратах.Основные результаты и выводы1. Обнаружены и исследованы резонансы, возникающие на ВАХ Bi-2223 и Bi-2212джозефсоновских контактов в результате неупругого туннелирования куперовских пар.2.

При Т = 4.2 К на dI/dV-характеристиках Bi-2223 джозефсоновских контактов обнаруженыдвухфононные резонансы: (OSr + Sr) и (OSr + Cu), с частотами соответственно 23.2 ТГц и 25.1ТГц.163. Показано, что допирование образцов Bi-2212 не влияет заметным образом на спектроптических фононов.4. Установлено, что в исследованных спектрах магнонный резонанс отсутствует.5. Подтвержден скейлинг сверхпроводящей щели s и критической температуры Тс вфункции концентрации примесных дырок у допированных монокристаллов Bi-2212.6. Получены прямые доказательства существования внутреннего эффекта Джозефсона ввисмутовых купратах.7. Вблизи оптимального допирования обнаружена резкая дополнительная структура на ВАХстопочных Bi-2212- контактов, которая может быть следствием существования протяженнойсингулярности Ван Хова в окрестности уровня Ферми.8.

Характеристики

Список файлов диссертации