Работа выполнена в Институте физики микроструктур Российской Академии Наук, г. Нижний Новгород
Официальные оппоненты:
0с^СЇЗЯЙНАЯ. БИБЛИОТЕКА
і го - о - оз
Ведущая организация
доктор физико-математических паук, профессор В.Я. Демиховский доктор физико-математических наук
Н.Б. Копнин
доктор физико-математических наук А.Л. Рахмапов
Физический Институт им. П.П. Лебедева РАН
Защита состоится 13 мая 2002 г. в 14 часов иа заседании диссертационно го совета Д 002.098.01 по защите диссертаций на соискание степени доктора физико-математических паук в Институте физики микроструктур РАН (603950, Нижвий Новгород, Казанское шоссе, ГСП-105)
С диссертацией можно ознакомиться п библиотеке Института физики микроструктур РАН
Диссертация в форме научного доклада разослана 3 апреля 2002 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических п
К.П. Гайкович
Содержание
Содержание 1
Общая характеристика работы 2
Основное содержание работы 8
1 Феноменологическая теория вихревых структур в сверхпроводниках1 с анизотропным спариванием. 9
1.1 Структура изолированных вихрей в гексагональных экзотических сверхнроводпиках................................ . 10
1.2 Структура вихревой решетки и магнитные фазовые переходы в гексагональных экзотических сверхпроводниках........... 13
1.3 Вихревые стрз'ктуры в тетрагональных сверхпроводниках. . 16
2 Динамика вихревых линий в анизотропных сверхпроводниках. 17
2.1 Вязкое движение вихрей в сверхпроводниках с анизотропным тензором эффективных масс............................... 20
2.2 Дипамлка вихревых линий в слоистых сверхпроводниках с джозефсоновским взаимодействием между слоями ....... 22
3 Квазичастичные возбуждения в смешанном состоянии сверхпроводников с анизотропным спариванием. 26
3.1 Изолированная вихревая линия в б-сверхпроводнике: эффект Ааронова-Бома для квазичастиц......................... 29
3.2 Спектр квазичастиц в вихревых решетках сверхпроводников
с о-спариванисм......................................... 31
4 Электронная структура и транспортные свойства смешанного состояния в мезоскопических сверхпроводниках. 34
4.1 Электронная структура многоквантовых вихрей и вихревых молекул в мезоскопических сверхнртводниках.................. 35
4.2 Когерентный транспорт в смешанном состоянии мезоскопических сверхироводпиков..................................... 38
. р—тчение 40
«с работ по теме диссертации
44
Общая характеристика работы
Введение, актуальность темы диссертации
В последнее время в физике низких температур большое внимание уделяется теоретическому н экспериментальному изучению свойств анизотропных сверхпроводников. Начиная с 70-х годов был получен цеяый ряд сверхпроводящих соединений с силыюанизотрошаой кристаллической структурой и, соответственно, анизотропными характеристиками как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии (например, проводимостью, критическими магнитными полями На и лондоновской глубиной проникновения магнитного поля Л/.). Обнаружение сверхпроводимости в металлах с тяжелыми фермиовами (£ЛР£з, 1/Вс 13, СеСицв^ и др.) и открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) Ва- вг-Си—О, У - Ва - Си - О, В{- Ьг-Са-Си- О, Т1 - Ва- Са — Си - О, являющихся в большинстве случаев существенно анизотропными, стимулировали дальнейшее интенсивное развитие теории и эксперимента. Как ВТСП, так и соединения с тяжелыми фермионами являются сверхпроводниками второго рода: в широком диапазоне магнитных полей их свойства определяются особенностями структуры и динамики вихрей. Экспериментальные исследования смешанного состояния в этих соединениях указывают на ряд качественно новых физических эффектов, отсутствующих в изотропных сверхпроводниках. В частности, для таких систем характерны специфические угловые зависимости критических нолей, особая структура вихревой решетки и коров вихрей, нетривиальные особенности электронной структуры смешанного состояния, апизотроппые транспортные свойства вихревых структур, внутренний эффект Джозефсона (для сильпоанизо тройных слоистых ВТСП Вг — Эт -Са — Си- О, Т1 — Ва — Са — Си - О). Успехи тонкопленочной технологии, кроме того, позволяют в настоящее время создавать сверхрсшстки типа сверхпроводник/пормальный металл и сверхпроводник/диэлектрик. Экспериментальные исследования свойств таких искусственных слоистых систем представляют большой интерес с точки зрения различных приложений. Теоретический анализ особенностей магнитных и транспортных свойств вихревых структур в анизотропных сверхпроводниках является, таким образом, весьма актуальным дли описания физических явлений, которые были экспериментально обнаружены в соединениях с тяжелыми фермионами, ВТСП и искусственных сверхрешетках.
Среди сверхпроводников с тяжелыми фермионами наиболее хорошо изученным соединением является и.Р^з, для которого большинство экспериментов свидетельствует в пользу того, что возникающий ниже крити-
2
ческой температуры Тс сверхпроводящий параметр порядка соответствует одному из двумерных неприводимых представлений группы симметрии Аз.*,. Сверхпроводящая щель Л (к) в этом случае может обращаться в нуль на поверхности Ферми при определенных значениях квазпимпулъса к. Существование нулей Д на поверхности Ферми приводит к неэксиопснци-альному характеру температурных зависимостей при Т —* 0 таких величин, как теплоемкость, коэффициент поглощения ультразвука, обратное время спиновой релаксации, глубина проникповения магнитного поля А^. Степенные температурные зависимости этих величин были обнаружены в ряде экспериментов как в IIРЬз, так и в других соединениях с тяжелыми ферм нон а N41. Для идентификации сверхпроводников с экзотическим спариванием важную роль играет и изучение анизотропии их магнитных свойств. Особый интерес исследователей направлен на изучение сложной фазовой диаграммы в IIз в плоскости Н — Т. Ниже границы На{Т), разделяющей нормальную и сверхпроводящую фазы, существуют еще две линии фазовых переходов между различными сверхпроводящими фазами (лилии фазовых переходов пересекаются в тетракритической точке при Яс2(Т"). Один из фазовых переходов, происходящий при низких полях, предположительно вызван взаимодействием сверхпроводящего параметра порядка с нарушающим гексагональную симметрию антиферромагпитным упорядочением. Другой фазовый переход происходит при высоких полях Я* ~ 0.6Ял2 для Н || с (Я* ~ 0.25Яс2 для Н ± с). Существование сложной фазовой диаграммы в £/Р£з яв.чяется серьезным доводом в пользу того, что в этом веществе сверхпроводящее спаривание является экзотическим. Необходимость выяснения природы магнитного фазового перехода в Г/Р/д стимулировала дальнейшее интенсивное изучение свойств смешанного со-стояния в сверхпроводниках с анизотроплым спариванием*.
Вопрос о наличии нетривиального типа спаривания (в частности, имеющего смешанную симметрию Фв2-у3 + 3 или у2 + типа) в последнее время широко обсуждается и для ВТСП. При этом параметр порядка (1Хтипа является доминирующим и реализуется в однородном сверхпроводящем состоянии. Вторая компонента параметра порядка может быть индуцирована за счет присутствия неоднородностей (например, в коре вихря или вблизи поверхности, границ раздела различного типа). С точки зрения феноменологической теории вопрос о структуре сметпапного СОСТОЯНИЯ н таких системах сводится к анализу уравнений типа Гинзбурга-Ландау (ГЛ) для параметра порядка с двумя комплексными компонентами имеющими различные критические температуры. Появление дополнительной компоненты параметра порядка в коре вихря приводит, в част ности, к изменению спектра элементарных возбуждений, которое может
быть описано только с привлечением микроскопической теории. Вопрос о спектре низкоэнергетических квазичастичных возбуждений в смешанном состоянии очснт» важен, так как при низких температурах эти возбуждения определяют термодинамические и транспортные свойства (в частности, теплоемкость, теплопроводность, динамику вихрей). Для массивных сверхпроводников с s-спариванием эти вопросы изучены к настоящему времени достаточно подробно. Как показано в пионерской работе \ состояния квазичастиц с малыми энергиями f < Д оказываются локализованными в корах вихрей и имеют дискретный спектр: Ей где £- длина
когерентности. кг - проекция импульса Ферми кр на плоскость, перпендикулярную оси вихря, и угловой момент д принимает’ полуцелые значения. Эти состояния слабо возмущаются в присутствии соседних вихревых линий, но крайней мере в полях Н, существенно меньших верхнего критического ПОЛЯ #с2- Малое перекрытие волновых функций состояний в различных вихрях приводит, однако, к расщеплению дискретных уровней в узкие зоны. Заметим однако, что ситуация может измениться для мезоскопических сверхпроводников с размером порядка нескольких длин когерентности. Успешное развитие технологии в последние годы стимулировало активные экспериментальные и теоретические исследования таких мезоскопических объектов. Вихревые конфигурации в этих системах образованы малым числом вихрей и существенно отличаются от вихревых структур в сметанном состоянии массивных сверхпроводников. Экранирующие токи, текупще по периметру мезоскопического образца, приводят к сжатию вихревой системы и образованию либо вихревой молекулы с раз мером сравнимым с длиной когерентпости, либо даже многоквантового вихря (в массивном сверхщюводнике такие конфигурации не могут быть устойчивыми). Электронная структура таких пеобычных вихревых систем (энергетический спектр, плотность состояний) также обладает рядом качественно повых особенностей и может быть изучена, папример, с помощью транспортных измерений. При низких температурах электронный транспорт через мезоскопический свсрхпроводпик должен рассматриваться как когерентный, поскольку характерная длина дефазпровки оказывается существенно больше размеров образца. Изменение числа вихрей и их конфигурации дает возможность управления таким когерентным транспортом через мезоскопический сверхпроводник. Таким образом, мезоскопические образцы с малым числом вихрей представляют собой новый тип магнито-чувствитслышх андреевских волноводов. Проводимость образца в направлении магнитного ноля определяется коэффициентом прозрачности вихревых состояний (многоквантовых вихрей и вихревых молекул), образующих
1C.Coroli, P.G. dc Genmcs, J.Matricon, Phye. Lett. 9, 307 (19<И).
4
- Київ+380960830922