2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Введение.........................................................4
Глава I. Сверхпроводящие свойства слоистых купратов и нового
сверх проводникового соединения М^В2............................13
§ 1.1. Кристаллическая структура и электронный знері-етический
спектр слоистых купратов........................................13
§ 1.2. Теоретические модели высокотемпературной
сверхпроводимости и их экспериментальное обоснование............17
§ 1.3. Структура и сверхпроводящие свойства М§В2................25
Глава 11. Экспериментальная установка для регистрации ВАХ
джозефсоновских ВТСП контактов..................................27
§ 2.1. Быстродействующая цифровая установка для записи 1(V)- и с11(У)/бV- характеристик джозефсоновских контактов на
микротрещине в ВТСП образцах....................................27
§ 2.2. Экспериментальные методы: туннельная спектроскопия, внутренняя туннельная спектроскопия, андреевская спектроскопия,
джозефсоновская спектроскопия...................................36
§ 2.3. Приготовление контактов на базе ВТСП соединений
Ві28г2.хЕахСиОб+5, Вь5г2-хТахСаСи208~б и МйВ2...................46
Глава III. Определение сверхпроводящих параметров Ві28г2_хГахСиОб+85 Bi2Sr2.xLaxCaCibO8.r6 и М§В2 с помощью
туннельной, андреевской и джозефсоновской спектроскопии 48
§ 3.1. Исследование влияния допирования на сверхпроводящую щель у монокристалличсских образцов ВІ28г2.хГахСаСи208+$ с помощью андреевской, туннельной и внутренней туннельной спектроскопии...................................................48
•л
о
§ 3.2. Исследование влияния допирования на взаимодействие переменного джозефсоновского тока с оптическими фононами в
В128г2-хЬахСи06(-б и В128г2.хЬахСаСи208+8 ......................65
§ 3.3 Определение сверхпроводящей щели в поликристаллических образцах М§В2 с помощью андреевской спектроскопии. Внутренний
эффект Джозефсона в М§В2........................................77
Глава IV. Сравнительный анализ сверхпроводящих свойств допированных образцов ВГ2212, ВГ2201 и нового сверхпроводящего
соединения 1^В2.................................................83
§ 4.1Скейлинг сверхпроводящей щели и критической температуры
Тс у допированных кристаллов ВГ2212(Ьа).........................83
§ 4.2. О возможном влиянии протяженной сингулярности ван Хова на ВАХ туннельных контактов на базе В128г2.хГахСаСи208-5 вблизи
оптимального допирования........................................92
§ 4.3. 11ризнаки сильного электрон-фоионного взаимодействия у Вь
2212 и ВГ2201 поданным джозефсоновской спектроскопии............94
§ 4.4. МуВ2 - простой аналог купратных высокотемпературных
сверхпроводников................................................94
Выводы.........................................................101
Литература.....................................................104
4
ВВЕДЕНИЕ
В 1999 году Абрикосовым была предложена теоретическая модель, успешно описывающая явление высокотемпературной сверхпроводимости и базирующаяся на фононном механизме спаривания [1]. Согласно Абрикосову высокая критическая температура Гс в ВТСП реализуется благодаря существованию вблизи уровня Ферми протяженной особенности ван Хова с высокой плотностью состояний 11, 2]. В модели Абрикосова основную роль в спаривании играют оптические фононы с малыми волновыми векторами [1,3, 4]. Сильное электрон-фононное взаимодействие в ВТСП [51 подтверждается исследованиями неупругого туннелирования куперовских пар в с- направлении в В$ССО джозефсоновских контактах [6, 7], данными фотоэмиссионной спектроскопии [8, 9] и исследованиями изотопического эффекта [10, 11].
Альтернативой фононному спариванию в ВТСП является спаривание на спиновых флуктуациях, амплитуда которых должна быть максимальна вблизи фазового перехода моттовский диэлектрик-сверхпроводник [12]. Сравнительно недавно было предположено, что недодопированные купратные высокотемпературные
сверхпроводники (ВТСП) с магнонным спариванием характеризуются двумя щелевыми энергиями АР и Аз [13]. Существующая в широком температурном интервале Т < Т* большая щель (псевдощель) Ар, измеряемая фотоэмиссионной или туннельной спектроскопией, характеризует энергию связи 2АР куперовских пар, остающихся в некогерентном состоянии при Т > Тс (Тс - критическая температура сверхпроводника). Меньшая щель А§ (сверхпроводящая щель), измеряемая андреевской или рамановской спектроскопией,
определяет минимальную энергию 2ДЧ возбуждения сверхпроводящего конденсата при Т < Тс (Тс < Т* в недодопированных образцах). Согласно [13] Д5 меняется с концентрацией дырок р подобно Тс , проходя через максимум при оптимальном допировании. В то же время Др монотонно растет при р -> 0 (т. е. при переходе от передопированных образцов к 11 едодоп ирован н ы м).
Из теоретических расчетов следует, что присутствие некогерентных куперовских пар при Т > Тс в купратном сверхпроводнике с магнонным спариванием должно приводить к эффекту андреевского отражения в интерфейсе нормальный металл-купратный сверхпроводник [14]. Экспериментальная проверка этого предсказания на N-5 микроконтактах (золото-УВСО) дала негативный результат [ 15], что поставило под сомнение общепринятую версию магнонного спаривания в ВТСП.
Дополнительные сомнения в универсальности механизма магнонного спаривания в ВТСП возникли после сообщения об открытии нового сверхпроводника - диборида магния М«В2 с критической температурой Тс = 39 К [16]. Механизм спаривания в М§В2 имеет фононный характер, на что указывает обнаружение в этом материале изотопического эффекта по бору [11]. Теоретический анализ зонной структуры М§В2 и родственных соединений показывает, что проводимость по плоскостям бора близка к двумерной. Присутствие сингулярности ван Хова в 21)- зоне может существенно повлиять на величину критической температуры Тс, если с помощью допирования сместить уровень Ферми на пик плотности квазичастичных состояний [ 17,18].
6
Очевидно, что сравнительный анализ сверхпроводящих свойств купратов и соединений типа М§В2 позволит приблизиться к решению задачи о физической природе явления высокотемпературной сверхпроводимости.
Основной задачей настоящей работы являлось сравнительное исследование сверхпроводящих свойств допированных купратных сверхпроводников В128г2СиО6^(В1-2201), В'^ггСаОьОя+б (ВК2212) и 1\^В2 с помощью яуннельной, андреевской и джозефсоновской спектроскопии.
Конкретные задачи диссертационной работы включали:
]. исследование влияния допирования на сверхпроводящую щель в В1-2212(1.а) с помощью внутренней туннельной спектроскопии,
2. исследование влияния допирования на эффект возбуждения когерентных оптических фононов переменным джозефсоновским током в ВК2212(Ьа) и Вь2212(Ьа) (джозефсоновская спектроскопия),
3. определение сверхпроводящей щели в М§В2 с помощью ан дрее вс ко й с п е ктрос ко 11 и и,
4. сопоставление полученных экспериментальных результатов с существующими теоретическими моделями высокотемпературной с верх про води мости.
В результате проведенных исследований:
1. обнаружен скейлинг сверхпроводящей щели и критической температуры в допированных образцах ВК 2212(1 .а) , что является естественным следствием доминирующего вклада электрон-фононного взаимодействия в спаривание носителей заряда в ВТСП,
2. на ВАХ стопочных ВК2212- контактов (] || с) при щелевых смешениях УЕП = 2Дп/е обнаружена резкая щелевая структура,
7
характерная для классических сверхпроводников с изотропьш спариванием. У близких к оптимальному допированию образцов купратов с анизотропной щелью подобные ВАХ могут быть следствием сильной анизотропии нормальной плотности состояний из-за присутствия на уровне Ферми протяженной особенности ван Хова. При отходе от оптимального допирования щелевая структура на ВАХ заметно размывается,
3. установлено, что допирование не влияет заметным образом на характер взаимодействия переменного джозефсоновского тока с оптическими фононами в центре зоны Бриллюэна у Вь2212(Ьа) и В1-2201(Ьа). Последнее позволяет предположить, что механизм спаривания в этих материалах не меняется с допированием качественным образом,
4. при исследовании взаимодействия переменного джозефсоновского тока с оптическими фононными модами в близких к оптимальному допированию образцах В1-2201(Ьа) ( Т < Тс ) обнаружена иеренормирока спектра у 2Д-оптических фононов ( Си- раман-активные оптические фононные моды с энергиями в интервале 20 ч-24 мЭв ). Обнаруженный эффект является, возможно, прямым указанием на участие оптических фононов в спаривании в ВТСИ материалах,
5. Установлено, что отношение 2Д/кТс у М§В2 составляет 6. 5 ± 2 , что соответствует аналогичной величине у купратных сверхпроводников.
6. в туннельном режиме для \lgB2 - контактов на микротрещине полущены стопочные ВАХ, типичные для внутреннего эффекта Джозефсона, наблюдавшегося ранее только в купратных сверхпроводниках при токе в с- направлении. Обнаружение
8
внутреннего эффекта Джозефсона у MgB2 однозначно указывает на 2D - характер проводимости в этом материале.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что они дают существенный вклад в решение вопроса о природе высокотемпературной сверхпроводимости и указывают на широкие потенциальные возможности практических применений ВТС11- туннельных структур.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Первая глава содержит краткий литературный обзор по теме исследования, вторая глава - описание экспериментальной установки и метода приготовления контактов на микротрещине (break junction) в ВТСП - образцах. Каждая из следующих двух глав содержит оригинальные результаты, полученные автором.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Ya.G. Ponomarev, Chong Soon Khi, Kim Ki Uk, T.B. Kovrigina, M.V. Sudakova, S.N. Tchesnokov, M.A. Lorenz, M.A. Hein, G. Muller, H. Piel, В.Л. Aminov, A. Krapf, W. Kraak. Quasiparlicle tunneling in c-direction in stacks of BbS^CaiCibOs-G S-I-S junctions and symmetry of the superconducting order parameter// Physica С 315 (1999) pp. 85-90.
2. Ya.G. Ponomarev, Kim Ki Uk, M.A. Lorenz, G. Müller, H. Piel, II. Schmidt, A. Krapf, T.E. Os'kina, Yu.D. Tretyakov, V.F. Kozlovskii. Superconducting properties of La- substituted Bi-2201 crystals //Inst. Phys. Conf. Ser. No 167, 2000 IOP Publishing Ltd., 241-244.
9
3. Ya.G. Ponomarev, N.Z. Timergaleev, Kim Ki Uk, M.A. Lorenz, G. Müller, H. Piel, H. Schmidt, C. Janowitz, A. Krapf, R. Manzke. Dependence of the gap parameter on the number of Cu02 layers in a unit cell of optimally doped BSCCO, TBCCO, HBCCO and HSCCO// Inst. Phys. Conf. Ser. No 167, 2000 IOP Publishing Ltd., 245-248.
4. Ya.G. Ponomarev, Chong Soon Khi, Kim Ki Uk, T.B. Kovrigina, M.V. Sudakova, S.N. Tchesnokov, В.Л. Aminov, M.A. Hein, M.A. Lorenz, G. Muller, H. Piel, V.Z. Kresin, T.E. Oskina, Yu.D. Tretyakov. Quasiparticle tunneling in c- direction in stacks of S-I-S Bi2Sr2Ca|Cu208- contacts and symmetry of the superconducting order parameter// 5th International Workshop “High-Temperature Superconductors and Novel Inorganic Materials Engineering” ( MSU-HTSC V ), Moscow, Russia, March 24-29, 1998, Book of Abstracts, S-58.
5. Ya.G. Ponomarev, M.E. Shabalin, A.I. Kuzmitch, Kim Ki Uk. Inelastic tunneling of Cooper pairs in c-direction in Bi-Sr-Ca-Cu-0 single Josephson junctions and stacks// Тезисы докладов XVI Международной школы-семинара “Новые магнитные материалы микроэлектроники”, 23-26 июня 1998 года, МГУ, Москва, часть 2, стр. 604.
6. Ya.G. Ponomarev, A.I. Kuzmitch, Kim Ki Uk, S.N. Tchesnokov, M.E. Shabalin, M.A. Lorenz, M.A. Hein, G. Muller, H. Piel, B.A. Aminov. Inelastic tunneling of Cooper pairs in c-direction in Bi-Sr-Ca-Cu-O single Josephson junctions and slacks// XI Trilateral German-Russian-Ukrainian Seminar on High Temperature Superconductivity, Göttingen, Germany, 28-30 September 1998, Program and Abstracts, p. 53.
7. M.A. Lorenz, M.A. Hein, G. Muller, H. Piel, Ya.G. Ponomarev, Chong Soon Khi, Kim К і Uk, M.V. Sudakova, S.N. Tchesnokov, B.A. Aminov, A. Krapf, W. Kraak. Quasiparticle tunneling in c- direction in stacks of Bi2Sr2Ca|Cu208+ö S-I-S junctions and symmetry of the superconducting order parameter // International Conference on Physics
- Киев+380960830922