Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Учреждение Российской академии наукФизический институт имени П.Н. Лебедева
На правах рукописи
УДК: 538.945 Степанов
Валерий Анатольевич Туннельная спектроскопия и спектроскопия андреевского отражения новых высокотемпературных сверхпроводников.
01.04.07 - физика конденсированного состояния А в т о р е ф е р а т диссертации на соискание учной степени доктора физико-математических наук Москва, 2012 г.
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н. Лебедева
Официальные оппоненты:
1. член-корр. РАН, д.ф-м.н. Арсеев Птр Иварович;
2. д.ф-м.н., профессор Рязанов Валерий Владимирович;
3. д.ф-м.н., профессор Латышев Юрий Ильич.
Ведущая организация:
Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова.
Защита диссертации состоится л 2012 г.
в 1200 часов на заседании специализированного совета Д 002.023.03 при Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н. Лебедева по адресу: 119991 Москва, Ленинский проспект, 53.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИАН.
Автореферат разослан л 2011 г.
Учный секретарь специализированного совета профессор, д.ф-м.н /А. С. Шиканов/
Актуальность темы исследований.
В последней четверти 20-го века открыты несколько классов новых сверхпроводящих соединений, свойства которых заметно отличаются от свойств классических сверхпроводников: органические сверхпроводники, сверхпроводники с тяжлыми фермионами, ВТСП и т.д. Одной из важнейших характеристик сверхпроводящего состояния является энергетическая щель (щели) в спектре возбуждений квазичастиц. Измерение числа энергетических щелей, их величин и симметрии дат ключевую информацию о сверхпроводящем состоянии и спаривающем взаимодействии.
Классическим, хорошо известным методом изучения энергетической щели и механизма образования пар считается туннельная спектроскопия [1]. Другим достаточно точным методом исследования энергетической щели, получившим широкое распространение при работе с новыми сверхпроводниками, является спектроскопия андреевского отражения - изучение характеристик специфического отражения электронов на границе нормального металла и исследуемого сверхпроводника, связанного с преобразованием тока квазичастиц в ток пар. Оба метода, в сущности, сводятся к измерению характеристик процесса прохождения электронов через границу раздела нормального металла и исследуемого сверхпроводника в двух предельных случаях, определяемых силой барьера, разделяющего металлы Z. При сильном барьере на границе раздела ( Z >> 1) электроны преодолевают е за счт туннельного эффекта. При отсутствии барьеV / e ра ( Z = 0) и напряжении ток между металлами течет за счт преобразования на границе раздела тока квазичастиц в ток пар - процесса, который впервые рассмотрел А. Ф. Андреев и который носит его имя [2]. Несмотря на отличия, оба эффекта определяются зависимостью от энергии плотности состояNS (EF ) ний квазичастиц сверхпроводника на уровне Ферми и приводят к нелинейностям на вольт - амперной характеристике (ВАХ) контакта нормальный металл/сверхпроводник, которые обычно регистрируются на производных ВАХ.
Проводимость баллистического микроконтакта (контакта, характерный размер которого а много меньше длины свободного пробега электронов a l ) между сверхпроводником и несверхпроводящим металлом (S/N - контакт) при произвольной силе барьера Z пропорциональна [3]:
(V,, Z,T ) d / dV{ A(E,, Z) B(E, , Z)][ f (E eV,T) f (E,T)]dE}, (1) SN [1 где V - напряжение на границе раздела металлов, - энергетическая щель, T - температура, A(E,,Z) - вероятность андреевского отражения, B(E,,Z) - вероятность лобычного отражения, f (E,T) - функция распределения Ферми, E - энергия квазичастиц. При сильном барьере ( Z >> 1, туннельный контакт) A = 0 и проводимость контакта пропорциональна плотности состояний квазичастиц сверхпроводника (V ) dISN / dV NS (E) E / E2 2, которая имеет пик при SN E eV . Если барьер отсутствует ( Z = 0, микрозакоротка), A = 1, B =0 и проводимость внутри энергетической щели ( eV ) удваивается за счет андреевского отражения. Энергетическая щель сверхпроводника проявляется на зависимости (dI / dV )SN в виде пиков или резких спадов проводимости при напряжении на контакте V / e. Это дат возможность непосредственно, без применения какой-либо модели, измерить величину энергетической щели. При V / e на вольт - амперной характеристике контакта можно разрешить тонкую структуру, связанную с зависимостью (E), которая определяется спаривающим взаимодействием. Понятно, что для измерений туннельного эффекта и спектра андреевского отражения используют практически идентичные методы и аппаратуру.
Следует отметить, что, несмотря на близость этих эффектов, результаты, полученные с их помощью, могут заметно отличаться [4]. Дело в том, что проводимость туннельного контакта пропорциональна плотности состояний квазичастиц сверхпроводника, которая может иметь дополнительные особенности, зависящие от температуры и магнитного поля, но не связанные напрямую со сверхпроводимостью (например, псевдощель в ВТСП). Это может привести к тому, что положение и форма щелевого пика на зависимости (V ) будут опреSN деляться некой комбинацией энергетической щели сверхпроводника и этой дополнительной структуры. В результате характеристики энергетической щели сверхпроводника будут искажены. Андреевское отражение на границе раздела N и S металлов происходит только при преобразовании квазичастиц нормального металла в конденсат когерентных пар сверхпроводника и чувствительно именно к энергетической щели сверхпроводящего состояния. Таким образом, исследования проводимости S/N - контактов, работающих в туннельном режиме и режиме андреевского отражения, могут дать более полную картину сверхпроводящего состояния, чем изучение только одного из этих эффектов.
В данной диссертации приведены результаты исследований методом туннельной спектроскопии и спектроскопии андреевского отражения нескольких новых сверхпроводящих материалов, открытых в конце прошлого - начале этого века: ВТСП, MgB2, ZrB12, и CaC6. На момент начала работы ряд характеристик сверхпроводящего состояния этих соединений не были надежно установлены.
Это позволяет заключить, что представленная диссертация посвящена актуальной проблеме.
Целями настоящей работы являлись:
1) изучение ВТСП методом туннельной спектроскопии:
--исследовать энергетические щели, величины отношения 2/kТс, зависимости энергетических щелей от температуры ряда новых сверхпроводящих материалов;
-- разрешить тонкую структуру туннельных спектров, связанную со спаривающим взаимодействием;
-- определить какие особенности на туннельных характеристиках ВТСП связаны с их природой и какие особенности обусловлены не идеальностью образцов и туннельного барьера;
2) методом спектроскопии андреевского отражения:
-- исследовать фазовую диаграмму одного из ВТСП материалов - зависимость характеристик энергетической щели ВТСП от концентрации носителей тока (уровня допирования);
-- исследовать характеристики энергетических щелей MgB2 и получить доказательства многозонной природы этого уникального соединения;
-- исследовать влияние легирования и облучения нейтронами на энергетические щели MgB2. Определить вклад заполнения зон, межзонного и внутризонного рассеяния в изменение сверхпроводящих свойств;
-- проверить теории, развитые для описания MgB2;
-- измерить некоторые характеристики электронной, фононной систем и энергетической щели ZrB12;
-- исследовать энергетическую щель СаС6.
Объекты исследования.
Все исследованные материалы представляли собой уникальные монокристаллические и в некоторых случаях поликристаллические образцы высокого качества, изготовленные и охарактеризованные в ведущих научных центрах России, Швейцарии, Италии, Германии и Украины.
Научная новизна и достоверность работы.
Все основные результаты, изложенные в диссертации, являются новыми.
Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена: измерениями, сделанными позже другими авторами и методами; совпадением результатов измерений с теоретическими расчетами; публикациями полученных результатов в ведущих научных журналах; ссылками на публикации автора.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Разработаны методы создания стабильных туннельных контактов на криогенном сколе ВТСП- кристаллов типа ВТСП/Nb и на микротрещине ВТСП- кристалла типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (S/I/S) (лbreakjunction contact). Проведены туннельные исследования La2-xSrxCuO4-, EuBa2Cu3O7-, Bi2Sr2CuCa2O8+ (Bi2212)и Bi2Sr2Cu2Ca3O10+ (Bi2223) кристаллов.
Получены воспроизводимые туннельные спектры, измерены энергетические щели, температурные зависимости щелей (T). Найдено, что величина отношения 2(0) / kBTc значительно превышает 3.5 для всех исследованных материалов.
Впервые на туннельных спектрах ВТСП при E > 2 разрешена тонкая структура и доказано, что эта структура обусловлена электрон-фононным взаимодействием (ЭФВ).
2. Методом спектроскопии андреевского отражения на большом числе образцов изучены зависимости энергетической щели La2-xSrxCuO4 (LSCO) от уровня легирования и температуры в диапазоне концентраций Sr 0.08 x 0.2.
Показано, что характерные особенности на зависимости проводимости от напряжения, связанные с андреевским отражением, исчезали при Т = Тс образца при всех уровнях легирования. Сравнение с теорией выявило, что энергетическая щель может быть описана (s + dx2-y2) либо (dx2-y2 + idxy) - типами симметрии при всех легированиях и температурах. Установлено, что в недодопированных образцах (x < 0.14) энергетическая щель не увеличивается с уменьшением x. Зависимость доминирующей (имеющей большую амплитуду) компоненты энергетической щели от x следует за зависимостью Тс(x). Полученные результаты указывают на пропорциональность и Тс, на разную природу псевдощели и энергетической щели сверхпроводящего состояния в LSCO.
3. Исследован эффект Джозефсона в MgB2. Контакты Джозефсона на микротрещине в высококачественном поликристаллическом MgB2 были получены при температуре 4.2 К. Вольт-амперные характеристики точно описывались резистивной моделью джозефсоновского контакта, смещенного током, при учте небольшой мкости и тепловых флуктуаций. При облучении контактов электромагнитным излучением с частотой f = (9 15) ГГц на вольт-амперных характеристиках наблюдались четкие большой амплитуды ступеньки тока (ступеньки Шапиро), расположенные друг от друга на расстоянии V (h / 2e) f. Были изучены: 1) зависимость постоянного тока Джозефсона от температуры и мощности СВЧ сигнала; 2) зависимость амплитуд ступенек Шапиро от мощности СВЧ сигнала. Полученные результаты описываются существующими теориями, свидетельствуют о S/N/S природе слабой связи изученных контактов, доказывают существование пар с зарядом 2е в MgB2.
4. Методом спектроскопии андреевского отражения исследован многозонный сверхпроводник MgB2. Разработан метод создания мягких точечных контактов андреевского типа (S/N) между MgB2 и каплей токопроводящего клея (или In), имеющих очень высокую стабильность. Предложено использовать магнитное поле для разделения вкладов - и - зон в проводимость контакта, что позволило существенно увеличить точность измерений энергетических щелей MgB2 и наджность полученных результатов. Измерены энергетические щели и вклады - и - зон в полную проводимость баллистического андреевского контакта при протекании тока в плоскости ab и вдоль оси c кристаллов. Исследованы зависимости энергетических щелей - и - зон монокристаллов MgB2 от температуры и напряженности магнитного поля, параллельного оси с кристалла (B) и (B). Найдено, что вклады зон в проводимость точечного контакта, величины энергетических щелей (0), (0) и зависимости (T ) и (T ) согласуются с предсказаниями двухзонной модели, а зависимости (B) (B) праи вильно описываются теорией смешанного состояния грязных двухзонных сверхпроводников. Получены доказательства, что - зона даже в лучших монокристаллах MgB2 находится в умеренно грязном пределе.
5. Методом спектроскопии андреевского отражения исследованы зависимости энергетических щелей - и - зон легированного MgB2 от типа легирующей примеси и уровня легирования:
а) монокристаллов MgB2, легированных углеродом Mg(B1-xCx)2, 0.055 x 0.132, Тс = 39 19 К;
б) монокристаллов и поликристаллов MgB2, легированных алюминием Mg1-xAlxB2, 0.02 x 0.32, Тс = 38 12 К;
в) монокристаллов MgB2, легированных марганцем Mg1-xMnxB2, 0.0037 x 0.015, Tc = 39 13.3 K;
Изучено влияние легирования на характеристики сверхпроводящего состояния MgB2: роль заполнения зон, меж- и внутри - зонного рассеяния, разупорядочения.
Показано, что: 1) двухщелевая природа MgB2 очень устойчива - может сохраняться при сильном легировании (даже при уменьшении Tc до 10 К);
2) энергетическая щель - зоны всегда уменьшается с ростом концентрации примеси x; 3) зависимость (x) определяется конкуренцией между уменьшением плотностей состояний - и - зон на уровне Ферми и увеличением межзонного рассеяния ; 4) слияние энергетических щелей, которое иногда рассматривается как основное следствие двухзонной модели, наблюдалось только в монокристаллах Mg(B1-xCx)2 при x = 0.132 (Тсon = 19 K); 5) в монокристаллах и поликристаллах Mg1-xAlxB2 межзонное рассеяние недостаточно для того, чтобы обеспечить слияние энергетических щелей; 6) при гетеровалентном легировании (замене Mg на Al и B на C) основным эффектом, подавляющим сверхпроводимость, является увеличение числа электронов в системе (заполнение зон), сопровождающееся уменьшением плотностей состояний на уровне Ферми; 7) при изовалентном легировании магнитной примесью (Mn) (монокристаллы Mg1-xMnxB2) сверхпроводимость подавляется, главным образом, в результате рассеяния носителей тока с переворотом спина в - зоне, приводящего к разрушению куперовских пар, и что рассеяние в - зоне и межзонное рассеяние в Mg1-xMnxB2 при x 0.015 дают небольшой вклад в разрушение сверхпроводящего состояния; 8) при высоком уровне легирования основную роль в подавлении сверхпроводимости в MgB2, по-видимому, начинают играть эффекты, связанные с разупорядочением.
Подтверждено одно из основных предсказаний двухзонной модели и доказана е высокая точность.
6. Методом спектроскопии андреевского отражения измерены зависимости энергетических щелей - и - зон поликристаллов Mg11B2, облученных нейтронами, от критической температуры образца Tc TcA - (Tc ) и (Tc ) (интегральная плотность потока нейтронов через образец Ф = 0 1.41020 cm-2, критическая температура андреевского контакта TcA = 39.2 9.2 К). Оценено влияние дефектов и разупорядочения, появляющихся в результате воздействия нейтронного облучения на MgB2. Показано, что для образцов с Тс = (39 20) К при описании сверхпроводящего состояния необходимо учитывать небольшое увеличение скорости межзонного рассеяния с ростом Ф. Подтверждено, что: а) энергетические щели зон сливаются при TcA 9 К; б) при росте Ф основной вклад в разрушение сверхпроводимости дат уменьшение плотности состояний квазичастиц на уровне Ферми - зоны N (EF ).
7. Проведены измерения и оценки ряда фундаментальных физических параметров монокристаллов ZrB12: температуры Дебая D = 283 К, константы электрон-фононного взаимодействия = 0.67, плазменной частоты Юp = 5.6 эВ, энергии Ферми ЕF = 3 эВ. Методом спектроскопии андреевского отражения измерена энергетическая щель 2 = 2.5 мэВ, верхнее критическое магнитное поле Bc2 0.11 Т и их зависимости от температуры (T) и Bc2 (T). Полученные результаты доказывают, что этот материал является обычным БКШ- сверхпроводником с s- симметрией энергетической щели и электрон-фононным спариванием.
8. Исследована анизотропия и зависимость от температуры энергетической щели недавно (2005 г.) открытого сверхпроводника СаС6 с Тс = 11.4 К. Измерения энергетической щели были проведены на большом числе мягких точечных контактов СаС6/Ag андреевского типа с током через контакт, протекающим вдоль плоскостей атомов углерода (плоскость ab) - ab, и вдоль направления перпендикулярного этим плоскостям (вдоль оси c) - c. Распределения найденных величин ab(0) и c(0) описывались гауссовыми кривыми с максимумами при 1.35 и 1.75 мэВ, соответственно. Зависимости от температуры ab(Т) и с(Т) совпадали с БКШ- зависимостями. Полученные результаты доказывают анизотропный характер энергетической щели в СаС6, согласуются с теоретическими представлениями об этом материале и позволяют проверить точность расчтов.
Научная и практическая ценность.
Данная работа охватывает широкий круг проблем, связанных с изучением новых сверхпроводников. Проведенные исследования позволили установить или уточнить ряд фундаментальных характеристик этих соединений, проверить существующие теоретические модели.
В ВТСП -купратах исследования, проведенные на монокристаллах, дали возможность уточнить величину энергетической щели , зависимость (T), отношение 2 / kBTc, знание которых необходимо для ответа на вопрос о механизме высокотемпературной сверхпроводимости. Впервые на туннельных спектрах была разрешена тонкая структура и показана связь этой структуры с электрон - фононным взаимодействием.
Исследования уникального многозонного сверхпроводника MgB2 позволили экспериментально доказать высокую точность двухзонной модели сверхпроводимости, развитой для описания этого соединения, лучше понять механизмы, ответственные за подавление сверхпроводящего состояния при легировании и облучении.
При изучении ZrB12 был измерен ряд фундаментальных характеристик этого соединения. Изучение энергетической щели CaC6 позволило доказать и измерить е анизотропию и подтвердить точность расчтов характеристик нормального и сверхпроводящего состояний методом функционала плотности.
Апробация работы.
Основные материалы диссертации докладывались на:
Int. conf. УHigh temperature superconductors and materials and mechanisms of superconductivityФ, Interlaken, Switzerland, February 28 - March 4, 1988;
1-USSR HTS conf., Kharkov, USSA, December 20-23, 1988;
1st Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics, Singapore 27 June - 3 July, 1988;
Modern materials technologies and making methods of elements of HTSC chips, Minsk, USSA, September 17-25, 1990;
3-rd National Meeting on HTTS (SATT3) Genoa, Italy. Proc. edited by C. Ferdeghini and A.S. Siri, World Scientific Publ., pp. 188-193, 1990;
8-th Cimtec World Ceramic Congress, Florence, Italy, June 28 - Jule 4, 1994;
5-th International Conference Materials & Mechanisms of Supercondactivity High-Temperature Superconductors (M2S-HTSC-V), Beijing, China, Feb.28-Mar.4, 1997;
Int. Conf. Materials and Mechanism of Superconductivity and HighTemperature Superconductors (M2S-HTSC-VI). Houston, Texas, 18-25 February 2000;
11-th National Conference on Superconductivity, SATT11, Vietri sul Mare, Italy, March 19-22, 2002;
International Conference on УSuperconductivity in Magnesium Diboride and Related MaterialsФ BOROMAG, Genova, Italy, June 17-19, 2002;
National Conference on Physics of Matter, INFM Meeting 2002, Bari, Italy, June 24-28, 2002;
7-th International Conference on УMaterials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature SuperconductorsФ, M2S-RIO, Rio de Janeiro, Brasil, May 25-30, 2003;
International Workshop УOpen questions in understanding the superconducting and normal state properties of MgB2Ф, Rome, Italy, July 2-4, 2003;
6th European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS 2003, Sorrento, Italy, September 14-18, 2003;
1-ая Международная конференция УФундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимостиФ (ФПС'04). Москва - Звенигород, Россия, - 22 октября 2004 г.;
Int. Workshop on Weak Superconductivity, Bratislava, Slovak Republic, Sept.
16 - 19, 2005 (WSТ05).
8-th International Conference On Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors. (M2S - HTSC VIII), Dresden, July 9 - 14, 2006;
2-ая Международная конференция УФундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимостиФ (ФПС'06). Москва - Звенигород, Россия, 9 - 13 октября 2006 г.;
3-ая Международная конференция УФундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимостиФ (ФПС'08). Москва - Звенигород, Россия, - 17 октября 2008 г.;
На научных семинарах в ФИАНе и конференциях по сверхпроводимости в Италии.
Содержание диссертации отражено в 39 статьях, 36 из них опубликованы в ведущих отечественных и международных рецензируемых журналах. Список публикаций приведн в конце диссертации.
Вопросы авторства и публикации.
Автором ставились задачи, разрабатывались методики исследований, программы для анализа измеренных спектров, получена подавляющая часть экспериментальных результатов, приведенных в данной работе.
Объм и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка работ автора (39 ссылок) и списка цитированной литературы из 455 наименований. Общий объм текста составляет 300 страниц, включая 4 таблицы, полный список литературы и 119 рисунков.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели, основные положения, выносимые на защиту, рассмотрена научная и практическая значимость работы, указан личный вклад автора.
В первой главе: введены понятия и термины, необходимые для изложения последующего материала; приведены теоретические основы описания сверхпроводящего состояния, микроконтактной спектроскопии нормальных металлов и сверхпроводников; сделан краткий обзор литературы, связанной с этими темами.
Во второй главе описаны экспериментальные методы и аппаратура: типы точечных контактов (ТК) и способы их изготовления, электронная и криогенная аппаратура для измерений вольт-амперных характеристик и проводимостей, методы обработки результатов измерений.
При проведении данной работы использовались настраиваимые в жидком гелии прижимные контакты типа лигла - наковальня и контакты на микротрещине, а также так называемые мягкие контакты между изучаемым образцом и каплей токопроводящего Ag -клея или кусочком In без механической регулировки. Механические устройства для создания ТК обеспечивали относительное перемещение электродов в жидком гелии с точностью до 0.56 мкм/оборот винта.
Для изготовления игл прижимных ТК использовались проволоки диаметром (0.1 1.0) мм из высококачественных (чистота не ниже 99.9%) Au и Nb.
Ниобиевая проволока очищалась отжигом в вакууме. Создание острия и очистка поверхности иглы достигались электрохимической обработкой. Поверхность исследуемого образца (лнаковальни) в области касания иглы очищались путем частичного разрушения (скалывания) непосредственно в жидком гелии.
ТК на микротрещине создавались разламыванием образца (созданием микротрещины) в жидком гелии и последующим сведением образовавшихся половинок. Достоинствами метода являются: высокая чистота контактирующих поверхностей, возможность тонкой регулировки характеристик контакта и относительно высокая механическая стабильность. Контакты этого типа создавались с помощью тех же механических устройств, что и ТК типа лигла - наковальня.
Сила, разламывающая кристалл, прикладывалась вдоль плоскостей ab. Для подключения внешней цепи к образцам ВТСП на кристаллы в области контактов напылялись и затем вжигались плнки золота. Это позволило создать стабильные электрические контакты с R 1 Ом.
При проведении исследований MgB2, ZrB12 и CaC6 использовались так называемые мягкие S/N контакты - контакты, в которых вторым несверхпроводящим электродом служил In (или токопроводящий клей), небольшой кусочек которого прижимался к очищенной поверхности исследуемого сверхпроводника при комнатной температуре. Этот метод позволил получать баллистические ТК с низким барьером (Z 0.2 - 0.5), на ВАХ которых наблюдалась структура, связанная с андреевским отражением. Контакты этого типа имеют абсолютную стабильность при низких температурах (при Т 100 К). Это дат возможность сделать все необходимые измерения на одном ТК, что повышает достоверность полученных результатов. Другими достоинствами мягких контактов являются:
1) возможность работы с маленькими и хрупкими образцами и многократных измерений на одном образце; 2) отсутствие механических напряжений в области контакта; 3) возможность создания контактов с преимущественным протеканием тока смещения вдоль определнного направления в кристалле; 4) возможность проводить измерения при сверхнизких температурах и высоком давлении.
I(V ) Вольт-амперные характеристики контактов - зависимости, их прово2 d I / dV (V ) димости dI / dV (V ) и вторые производные ВАХ регистрировались четырх контактным методом с помощью хорошо известных в туннельной спектроскопии электронных схем. Характеристики ТК записывались при гелиевых и повышенных, вплоть до критической, температурах. Это позволяло измерить критическую температуру контакта TcA, его проводимость в нормальном состоя (V ) нии, зависимость (Т). При изучении MgB2 широко использовались изN мерения проводимостей в магнитном поле B 9 Tл. При проведении исследований в лаборатории проф. Р. Гоннелли (Турин, Италия) ВАХ ТК записывались с помощью программируемого источника тока Keithley 220 и мультиметра Hewlet Packard 3457A. Одновременно с ВАХ записывалась температура (Agilent 34410A). Проводимость контакта вычислялась после записи ВАХ. Для сглаживания записанных данных и вычисления проводимости использовался метод скользящего полинома.
Проводимости ТК, измеренные при T TсA S (V ), нормировались на проN (V ) водимость данного контакта в нормальном состоянии (обычно при T TcA (V ) S (V )/N (V) ). Нормированная проводимость сравнивалась с вычисленной. Для вычисления проводимостей туннельных контактов использовались формулы туннельной теории. Проводимости андреевских контактов вычислялись по формулам теории БТК [3] и Tanaka - Kashiwaya [5], учитывающим параметр уширения [6]. Величина определялась по положению пиков на за (V ) висимости и из подгонки вычисленных проводимостей к измеренным.
Критерием точности подгонки служил минимум суммы квадратов отклонений (СКО).
Проводимость N/S ТК между несверхпроводящим металлом (N) и двухзонным сверхпроводником MgB2, в первом приближении, равна сумме проводимостей в - и - зоны [7]:
w (1 w ), (2) где - и - проводимости контакта между N металлом и - ( -) зоной (1);
w - весовой коэффициент, определяющий вклад в полную проводимость контакта - зоны. Эта модель содержит 7 свободных параметров: i, Zi, i (i , ) и w. Тем не менее, диапазон изменений каждого параметра ограничен определнными физическими условиями и их подбор при аппроксимации измеренных зависимостей не вызывал больших проблем. Кроме того, оказалось, что слабое магнитное поле ( 1 Тл) позволяло разделить вклады - и - зон MgB2 в прово (V ) (V ) димость ТК и, соответственно, аппроксимировать и независимо друг от друга, что резко уменьшило число свободных параметров, повысило достоверность и точность определения искомых величин. В магнитном поле 1 Тл = 1 и проводимость ТК зависела от , Z и только одной - зоны:
w (1 w ) (В=1 Тл) =. (3) Соответственно разность проводимостей, записанных в нулевом поле и поле 1 Tл, зависела только от трх величин, характеризующих - зону:
w ( 1) (B=0) - (B=1 Тл) =. (4) Измерение проводимости N/S контакта в слабом магнитном поле служило лучшим тестом для проверки существования вклада в проводимость от - зоны.
Измерения в магнитном поле позволили надежно зафиксировать слияние энергетических щелей и - зон в сильно легированных углеродом и облучнных образцах MgB2.
За ошибку в определении энергетических щелей зон и при аппроксимации какой-либо измеренной зависимости (V ) брался максимальный диапазон изменений этих величин, который позволял аппроксимировать проводимость при условии, например, что СКО изменялась на 100% от минимальной величины и варьировании всех других свободных параметров.
Образцы для микроконтактных исследований отбирались по результатам изучения морфологии - отсутствию видимых поверхностных дефектов и изгиба кристаллов, состава, структуры (фазовой чистоты, параметров элементарной ячейки, размеров и разориентации блоков) и измерений характеристик перехода в сверхпроводящее состояние. Характеристики перехода в сверхпроводящее сосR(T) тояние определялись по температурным зависимостям сопротивления и (T) магнитной восприимчивости. Для измерения сопротивлений применялся (T) стандартный четырхзондовый метод. Для измерений на частоте 100 кГц использовалась мостовая схема.
Третья глава посвящена туннельным исследованиям ВТСП- кристаллов EuBa2Cu3O7-, La2-xSrxCuO4-, Bi2Sr2CuCa2O8+ (Bi2212) и Bi2Sr2Cu2Ca3O10+ (Bi2223), выращенных в ФИАНе (ОФТТ) И. П. Казаковым методом быстрого роста в световой печи и в группе Г. А. Калюжной в равновесных условиях на поверхности и в кавернах раствора - расплава шихты в KCl [д1 д14]. Данная работа является одной из первых, выполненных на кристаллах ВТСП.
Выращенные кристаллы имели форму пластин с длиной до 1.5 мм и толщиной до 100 мкм. Результаты анализа их морфологии, химического состава (В. И. Ктиторов, В. А. Мызина), структуры (В. П. Мартовицкий, В. В. Родин), характеристик перехода в сверхпроводящее состояние, использовались для отбора лучших образцов для туннельных исследований и совершенствования технологии выращивания.
Кристаллы, выращенные в световой печи, были изучены с помощью туннельных контактов ВТСП/Nb. ТК создавались на сколе ВТСП кристалла в жидком гелии. ВАХ и их производные записывались на двухкоординатном самописце. Были получены туннельные спектры монокристаллов EuBa2Cu3O7 с Тс = (85 91) К, La2-xSrxCuO4- с Тс = (12 13) К, Bi2Sr2CaCu2O8+ с Тс = 23, 28 и 65 К, измерены энергетические щели, зависимости энергетических щелей от темпераV (HTS Nb)/e туры, разрешена тонкая структура туннельных спектров при.
Все особенности туннельных характеристик хорошо воспроизводились. Было показано, что при повышении температуры энергетическая щель ВТСП кри(T ) сталлов уменьшается в соответствии с БКШ Цзависимостью, отношение 2 / kBTcA для разных кристаллов лежит в диапазоне (11 7) ( определялась по TcA- положению пиков; критическая температура контакта), тонкая структура туннельных спектров при повышении температуры сдвигается в сторону меньTcA ших напряжений вслед за щелью и исчезает при Т =. Было отмечено, что особенности тонкой структуры коррелируют с фононными спектрами, измеренными по рассеянию нейтронов. Это позволило связать тонкую структуру туннельных спектров с электрон-фононным взаимодействием, дающим вклад в образование пар в ВТСП. Амплитуда фононной структуры и величина отноше2(0) / kBTc ния свидетельствовали о наличии в ВТСП сильного электронфононного взаимодействия. Лучшая воспроизводимость туннельных спектров, была получена на Bi2212 кристаллах. Тем не менее, полученные туннельные спектры заметно отличались от классических (большая проводимость при V = 0, уширенные щелевые пики, отклонение проводимости от параболического закона при V >> ).
Высококачественные Bi2212 кристаллы, выращенные в равновесных условиях (с размерами до 33 мм2), содержали только основную фазу, были однородными по составу и структуре, состояли из блоков с размерами до 0.5 мм. Химический состав кристаллов соответствовал формуле Bi2.4Sr1.5Ca0.9Cu2.2O8+. Тс = (75 82) К, Тс(10% 90%) = (2 6) К, ab(100 K) 40 50 мкОмсм. Зависимость ab(T) d / dT 0.3 0.при Т > Тс была линейной с наклоном мкОмсм/К. Для измерений туннельных спектров этих кристаллов были применены симметричные туннельные контакты S/I/S на микротрещине. ВАХ и производные оцифровывались и записывались в память персонального компьютера. Критическая TcA Tc температура контактов равнялась кристаллов. Было показано, что с повышением качества монокристаллов и туннельных контактов отмеченные ранее аномалии проводимости ТК значительно уменьшались. Туннельные спектры хорошо воспроизводились и показывали относительно высокое качество с небольшой проводимостью при нулевом смещении ( 3 % для лучших контактов и не более 10 % для остальных), резким ростом туннельного тока в области энергетической щели ( 50 мВ), отсутствием характерного изгиба - колена за щелью, незначительными отклонениями от закона Ома при больших напряжениях V 2 / e. Тонкая структура за щелью также хорошо воспроизводилась. Никаких тонких особенностей отличных от фононных на туннельных спектрах в пределах 250 мВ обнаружено не было. Измеренные зависимости dI / dV (V ) довольно точно аппроксимировались теоретической кривой с s Цсимметрией энергетиче ской щели и параметром уширения [6] (величина / лежала в диапазоне 0. 0.2). Туннельные исследования высококачественных Bi2212 кристаллов под2(0) / kBTc твердили полученные ранее результаты. Отношение = 7 (6.5 при учете уширения с помощью параметра ). Величина энергетической щели, отношение 2(0) / kBTc, фононная структура согласуются с измерениями других авторов [8 - 10].
Разработанный в нашей лаборатории метод выращивания Bi ВТСП кристаллов в кавернах раствора-расплава шихты в KCl позволил впервые вырастить также кристаллы Bi2223 фазы с размерами до 110.003 мм3. Однако полностью избавиться от примеси других фаз в этих кристаллах не удалось. Рентгеноструктурные исследования показали, что лучшие кристаллы содержали не более 3% случайно расположенных слов Bi2212- и Bi4435- фаз. Измерение элементного состава выявило, что кристаллы однородны на площади 0.20.2 мм2, а их состав соответствует формуле Bi2.11Sr2.02Ca1.75Cu2.8O10+. Измерения характеристик перехода дали следующие величины: Тс = (109 1) К, Тс(10% 90%) = (1.02.5) К (по индуктивности). Зависимость ab(T) приближалась к металлической. Зависимость c(T) для наиболее однородных кристаллов имела полупроводниковый ход с небольшим ( 46) ростом при охлаждении. Отношение удельных сопротивc / ab лений вдоль оси с и плоскости ab 103 104, анизотропия в плоскости a / b ab не превышала 3 ( 3). Измерение эффекта Холла при Т = 122 К дало концентрацию носителей n = 4.11021 см-3, что позволило отнести полученные кристаллы к оптимально допированным.
Туннельные исследования Bi2223 проводились на контактах на микротрещине. Величины энергетической щели 2р-р, измеренные по расстояниям между пиками на зависимости (V ), на разных кристаллах и туннельных переходах лежали в диапазоне от 80 мэВ до 105 мэВ. Измерения туннельных проводимостей при повышенных температурах показали, что туннельная структура полTcA ностью исчезала при температуре 110 К, то есть контактов совпадала с Тс 2(0) / kBTc образцов. Для более точного определения величины и отношения проводимости в сверхпроводящем состоянии нормировались и аппроксимировались стандартной теоретической зависимостью, учитывающей конечное время жизни квазичастиц . Средняя величина = 38.5 мэВ была близка к энергетической щели, измеренной на с - ориентированных Bi2223 поликристаллах, средняя величина 2/kTc 8 отвечала очень сильному спаривающему взаимодействию.
В четврой главе изложены результаты исследований энергетической щели La2-xSrxCuO4 (LSCO) 0.08 x 0.2 в зависимости от уровня легирования x и температуры методом спектроскопии андреевского отражения [д15 д17].
Данная работа явилась одним из первых систематических исследований зависимости (x) ВТСП в широком диапазоне легирований и температур этим методом.
Поликристаллические образцы были изготовлены M. Ferretti (Universita di Genova, Italy). Исследования образцов показали их однофазность, отсутствие заметного количества примесей и подтвердили номинальную концентрацию Sr: x Tс = 0.08, 0.10, 0.12, 0.13, 0.15 и 0.20., измеренные на образцах с разным содержанием Sr x, совпадали с известными величинами Тс(x) для LSCO вплоть до отражения аномалии (заметного уменьшения Tc ) при x = 1/8, типичной для этого сверхпроводника. Ширина перехода в сверхпроводящее состояние по измерениям сопротивления составляла (3 5) К для всех концентраций Sr.
Точечные контакты LSCO/Au андреевского типа (Z 0.3) были получены в стандартной геометрии лигла (Au) - наковальня (LSCO). ТК имели высокую стабильность при повышенных, вплоть до Тс, температурах. Измеренные при (V ) (V ) / (V ) разных температурах нормированные проводимости апS N проксимировались вычисленными из модели Tanaka - Kashiwaya [5]. Была про (V ) верена точность аппроксимации с s, анизотропной s, s +, s +, d id x2 y2 x2 yсимметриями энергетической щели. Оказалось, что для всех легироd id x2 y2 xy ваний и температур s + и симметрии обеспечивали наиболее d d id x2 y2 x2 y2 xy точное совпадение вычисленных проводимостей с измеренными. При всех уровнях легирования x температурные зависимости компонент энергетической щели и для s + и для симметрий имели сложную форму и не описываd d id x2 y2 x2 y2 xy лись какой-либо теорией.
(x) Первое грубое приближение зависимости от уровня легирования LSCO x при Т = 4.2 К из спектров андреевского отражения было получено при предположении, что измеренные на всех образцах проводимости ТК можно качественно аппроксимировать стандартной БТК Цмоделью для s-симметрии энергетической щели при T = 0 К. В этом случае величина энергетической щели примерно равна половине расстояния между максимумами на зависимости (V ). Из найденной таким методом зависимости ясно видно, что: 1) при легированиях меньше оптимального энергетическая щель не увеличивается с уменьше(x) нием x, то есть радикально отличается от измеренных в ARPES и туннель(x) Tc (x) ных экспериментах; 2), как и, имеет колоколообразную форму с максимумом вблизи оптимального легирования; 3) для перелегированного образца величина энергетической щели, измеренная с помощью андреевского отражения, совпадает с , измеренной в ARPES и туннельных экспериментах. Результаты, полученные при аппроксимации проводимостей с s + и d id d x2 y2 x2 y2 xy симметриями энергетической щели, подтвердили эти выводы.
Исследование энергетической щели La2-xSrxCuO4+ (0.08 x 0.20) методом спектроскопии андреевского отражения в широком диапазоне допирований и температур показало, что:
1) все особенности в проводимости контактов, связанные с андреевским отражением, исчезали при температуре, равной критической температуре образцов. Соответственно, энергетическая щель сверхпроводящего состояния LSCO T Tc также исчезала при для всех концентраций Sr, в том числе и для концентраций, отвечающих недолегированным образцам;
(x) 2) зависимость энергетической щели от уровня легирования ведет сеTc (x) бя подобно зависимости. Это доказывает, что именно энергетическая щель, измеренная по спектрам андреевского отражения, является энергетической щелью сверхпроводящего состояния. Из сравнения сделанных измерений с данными, полученными из ARPES и туннельной спектроскопии, видно, что в ВТСП существуют две разные энергетические щели (энергетическая щель сверхпроводящего состояния и псевдощель) и, соответственно, две связанные с ними разные энергетические шкалы. Эти две энергетические щели, повидимому, сливаются при уровне легирования немного превышающем оптимальный. Полученные результаты доказывают, что псевдощель не связана со сверхпроводящим состоянием в LSCO. Вопрос о природе псевдощели, несмотря на большое число предложенных теоретических моделей, остается открытым;
3) чистая -волновая симметрии энергетической щели не позволяет d x2 yточно аппроксимировать измеренные проводимости. Подгонка вычисленных проводимостей к измеренным с использованием s +, и d d id x2 y2 x2 y2 xy симметрий щели дала практически одинаковую точность, позволила изучить зависимости компонент энергетической щели от температуры и уровня легирования, но не добавила новых черт к сложившейся качественной картине. Отметим, dx y2 dxy что дополнительная компонента энергетической щели ( или ) не мала по сравнению с основной, по крайней мере при гелиевых температурах, и существует в широком диапазоне допирований и температур.
(x) Результаты изучения зависимости в La2-xSrxCuO4+ согласуются с исследованиями Bi2212 методоми андреевской, туннельной и внутренней туннельной спектроскопии [10].
Пятая глава посвящена изучению MgB2 - уникального двухзонного сверхпроводника с Тс 39 К, открытого в 2001 г. В этой главе кратко описаны основные свойства этого соединения, исследование эффекта Джозефсона и характеристик энергетических щелей - и - зон в чистом, легированном и облученном материале [д18 - д36].
Эффект Джозефсона в MgB2 [дl9]. Контакты Джозефсона были получены на микротрещине в тврдой однофазной керамике с Tcon = 38.8 K, Tc = 0.5 K и остаточным удельным сопротивлением 0 4 мкОмcм., синтезированной в исследовательском подразделении фирмы Пирелли (spa Edison, Milano, Italy). Контакты, на которых наблюдался эффект Джозефсона, имели сопротивление RN 1 Ом, критический ток Ic = (0.6 8) мА и характерное напряжение Vc = IcRN = (0.3 1.7) мВ. Критическая температура контактов Tcj = (26 27) К. Вольт - амперные характеристики имели характерные особенности, предсказываемые резистивной моделью контакта смещнного током в присутствии тепловых флуктуаций. ВАХ контактов точно аппроксимировались этой моделью. При облучении СВЧ- излучением частотой f (9 15) ГГц на I - V характеристике появлялись ступеньки тока, расположенные друг от друга на расстоянии V hf / 2e, и ступеньки тока при напряжениях V nhf / 4e Изменение мощности СВЧ- сигнала вызывало осцилляции Ic и высоты ступенек. Были измерены: зависимость Ic(T) Ic и зависимости и высоты ступенек тока от мощности СВЧ сигнала.
Вблизи Tcj зависимость Ic(Т) была пропорциональна (Tcj - Т)2, что указывало на Ic(T) S/N/S природу слабой связи данного контакта. Измеренная зависимость во всем диапазоне температур была похожа на зависимость, которую предсказывает теория длинных грязных (l < L) слабых связей с S/N/S структурой (l - длина свободного пробега, - длина когерентности в материале берегов и L - длина слабой связи). Однако эта теория не могла описать экспериментальные данные во всм диапазоне температур. Низкая критическая температура контакта Tcj связана, по-видимому, с загрязнением поверхностных слов гранул, по которым происходило образование микротрещины. Структура исследованных контактов и величина Tcj объясняют небольшое значение Vc.
При увеличении мощности СВЧ- сигнала изменялись амплитуды и число ступенек тока на ВАХ. При полном подавлении критического тока на ВАХ наблюдалось 9 10 вертикальных ступенек (f = 14.58 ГГц). Зависимости критического тока контакта Ic и амплитуд первых трех ступенек тока (n = 1, 2, 3) от нормированного напряжения СВЧ сигнала качественно согласуются со стандартной зависимостью, следующей из резистивной модели джозефсоновского контакта, смещенного током, в СВЧ поле.
Энергетические щели MgB2 [д20]. В этой части представлены результаты первых экспериментальных исследований энергетических щелей MgB2 по спектрам андреевского отражения, выполненных на монокристаллах. Использование монокристаллов позволило контролировать направление тока смещения ТК и направление магнитного поля относительно осей кристалла, определить вклады - и - зон в проводимость, измерить температурные зависимости энергетиче (T ) (T) ских щелей и, проверить ряд предсказаний двухзонной модели.
Высококачественные монокристаллы MgB2 были выращены в группе J. Karpinski (Solid State Physics Lab., Swiss Federal Institute of Technology, Zurich) при высоком давлении. Тс и Тс, измеренные по температурным зависимостям магнитной восприимчивости, для лучших кристаллов составляли: Тс = 38.8 К и 0 Тс 0.2 К. Остаточное сопротивление кристаллов 4 мкОмсм. Все измерения были сделаны на мягких ТК. Сопротивление контактов RN 10 Ом. Нормальный электрод контакта устанавливался на плоскости ab или ребре кристалла. Этим обеспечивалось преимущественное протекание тока смещения вдоль оси с или вдоль плоскости ab.
Измеренные проводимости (V ) точно описывались двухзонной моделью БТК, в которой полная проводимость контакта равна сумме проводимостей - и - зон (2). Средние величины энергетических щелей зон при гелиевой температуре = 7.1 0.5 мэВ и = 2.9 0.3 мэВ совпали с предсказанными в двухзонной модели. Средние величины вклада -зоны в проводимость ТК для контактов с током смещения, протекавшем вдоль плоскости ab wab = 0.75, и для контактов с током вдоль оси с wс = 0.98 также были близки к величинам, найденным в двухзонной модели MgB2 (wab = 0.66 и wс = 0.99). Небольшое отличие между измеренными и вычисленными величинами w можно объяснить тем, что ток через контакт протекал не строго вдоль заданного направления, а распространялся внутри некоторого конуса. Было подтверждено, что магнитное поле B = (1 1.5) Tл при температуре 4.2 К полностью подавляло вклад в прово димость ТК - зоны (то есть (V, B=1 Тл) = 1). Это свойство - зоны позволило разработать метод селективного удаления вклада данной зоны в проводимость контакта и измерить проводимости в - и - зоны независимо друг от друга.
Чтобы уточнить влияние магнитного поля на энергетические щели зон MgB2 был проведн ряд дополнительных исследований: изучено влияние магнитного поля на энергетические щели зон в зависимости от величины, направления и температуры. Было показано, что магнитное поле с В = 1 Тл, параллельное плоскости ab, не влияет на энергетическую щель - зоны, вплоть до Тс, и следовательно может быть использовано для разделения вкладов зон в проводимость при всех температурах.
(T) (T) Для нахождения зависимостей, на нескольких ТК, сделани ных на рбрах MgB2 кристаллов, были проведены измерения проводимостей при повышенных вплоть до Тс температурах. Для каждой температуры проводимости ТК измерялись в нулевом магнитном поле и в поле B = 1 Тл, параллельном плоскости ab. При обработке экспериментальных данных проводимости в - и - зоны разделялись и аппроксимировались однозонной моделью БТК. Это позволило уменьшить ошибки при определении энергетических щелей зон. Даже при Т ТсА ошибка в величине стала заметно меньше отклонения зависимо (T) сти от стандартной БКШ- кривой. Достигнутая точность дала возмож (T) ность наджно зафиксировать отклонение зависимости от БКШ- кривой для Т > 25 К и подтвердить ещ одно предсказание двухзонной модели.
Зависимости (B) и (B) для B // оси с [д23]. Измерения энергетических щелей были сделаны методом спектроскопии андреевского отражения при температуре Т = 4.2 К на мягких контактах MgB2/In и MgB2/Ag- клей (использовались разные монокристаллы MgB2). Монокристаллы MgB2 были выращенны J. Karpinski. Магнитное поле изменялось в диапазоне (0 9) Тл. Влияние магнитного поля на проводимость ТК иммитировалось параметрами уширения ,.
Для этого предполагалось, что , состоит из суммы двух членов: внутреннего параметра уширения, определяемого конечным временем жизни квазичастиц и свойствами контакта в нулевом магнитном поле i,, и внешнего f,(B), связанного с воздействием магнитного поля: ,(B) = i, + f,(B).
(V ) Проводимости контактов MgB2/Ag и MgB2/In немного отличались по форме. Анализ показал, что эта разница связана главным образом с отличием в два раза коэффициентов прозрачности барьера Z. Подгонка вычисленных про водимостей к измеренным нормированным проводимостям позволила найти и для каждой величины B и построить зависимости (B) и (B). Отметим, что при напряженности магнитного поля B > (1 1.2) Tл все особенности в проводимости контактов, связанные с - зоной, исчезали, и измерение зависимости (B) для B > (1 1.2) Тл становилось невозможным. Сравнение найденных заmax max висимостей (B) и (B) с вычисленными (B) и (B) для B//c на границе элементарной ячейки вихревой решетки двухзонного сверхпроводника [11] показало, что они совпадают при отношении коэффициентов диффузии в зонах D / D D / D = 0.2 для одного из MgB2 кристаллов и = 1 для второго.
Найденные величины ,(B) и ,(B) позволили вычислить зависимость плотности состояний при нулевом смещении от магнитного поля N(0,B) и сравнить е с приведенной в работе [11]. Для каждого B N(0, B) равна проводимости лидеального туннельного (Z, = 20 и i, = 0) N/I/S контакта при V = 0 с измеренными ,(B), f,(B) и Т = 0 К.
Результаты проведенной работы можно суммировать следующим образом:
, 1) магнитополевые зависимости (B) и N(0,B), полученные из экспериментальных данных, не противоречат друг другу и совпадают с предсказаниями D D двухзонной модели в грязном пределе при большем [11]. Это согласуется с результатами, полученными на тех же кристаллах другими методами [11]: сканирующей туннельной микроскопией, измерениями эффекта Де-Газа - Ван Альфена, транспортными измерениями;
2) разные кристаллы, даже выращенные по одной технологии, имеют отD / D личающиеся отношения коэффициентов диффузии.
Проведенные измерения показали хорошую точность недавно созданной теории смешанного состояния в грязных двухзонных сверхпроводниках и е применимость к MgB2.
Исследования энергетических щелей Mg(B1-xCx)2, Mg1-yAlyB2 и Mg1-xMnxB[24 - 29, 35 - 36]. Исследования легированного MgB2 позволили изучить ряд эффектов, связанных с изменением заселнностей зон, их взаимным влиянием, внутри и межзонным рассеянием носителей тока, электрон-фононным взаимодействием, лучше понять свойства двухзонного сверхпроводника.
Двухзонная теория [12] предсказала, что при достаточно высоком легироTc вании рост межзонного рассеяния приведт к падению и слиянию энергетиче 2 / kBTc ских щелей - и - зон в одну щель с отношением близким к БКШ Tc величине при 25 К. Однако легирование не сводится только к росту рассеяния носителей тока. При гетеровалентном легировании, а именно такими примесями являются Al и С в MgB2, меняется число электронов в зоне проводимости, что приводит к смещению уровня Ферми и изменению плотности состояний NE (0). Происходят изменения и в фононном спектре системы. Вс это меняет F ij силу ЭФВ и, соответственно,, Тс и ,. Изменение характеристик зон и ЭФВ в зависимости от типа легирующего элемента и уровня легирования отражается , (x) на зависимости. При высоком уровне легирования основную роль в подавлении сверхпроводимости начинает играть разупорядочение, приводящее NE (0) также к падению. В сверхпроводящем Mg1-xMnxB2 из-за очень сильного F распаривающего взаимодействия, связанного с рассеянием на магнитных ионах Mn+2, и соответственно маленькой концентрации примеси (Тс = 0 К при x 2%), в первом приближении, можно пренебречь изменениями в электронной и фононной системах и считать, что сверхпроводимость подавляется исключительно из-за рассеяния с переворотом спина.
Монокристаллы Mg(B1-xCx)2, Mg1-yAlyB2 и Mg1-xMnxB2 были выращенны J. Karpinski. Поликристаллические образцы Mg1-yAlyB2 получены из Universit di Genova, Italy. Во всех образцах максимальная концентрация примеси была больше, чем в образцах, исследованных ранее. Получение однородных кристаллов Mg1-yAlyB2 потребовало больших усилий и времени.
, Измерения энергетических щелей проводились методом спектроскопии андреевского отражения с помощью мягких ТК. Контакты создавались на ребрах кристаллов так, чтобы ток смещения протекал преимущественно вдоль плоскостей ab. Для каждого андреевского ТК были проведены измерения проводимости при повышенных, вплоть до Тс, температурах. Вклады - и - зон в проводимость разделялись с помощью магнитного поля. Несмотря на уменьшение длины свободного пробега с ростом x, на всех образцах за счет повышения сопротивления контактов RN удалось получить баллистические ТК. Для аппроксимации измеренных спектров использовалась модель БТК.
Проведенные измерения позволили построить зависимости энергетических щелей зон от критической температуры контакта (TcA ) и (TcA ) и уровня легирования (x) и (x) для:
а) монокристаллов Mg(B1-xCx)2, 0.055 x 0.132, Тс = 39 19 К;
б) монокристаллов и поликристаллов Mg1-xAlxB2, 0.02 x 0.32, Тс = 38 12 К;
в) монокристаллов Mg1-xMnxB2, 0.0037 x 0.015, Tc = 39 13.3 K.
Анализ полученных зависимостей и их сравнение с теоретическими расчтами, сделанными в работе [13], а также R. S. Gonnelli и G. A. Ummarino, показали, что: 1) двухщелевая природа MgB2 очень устойчива - может сохраняться при Tc сильном легировании (даже при уменьшении до 10 К); 2) энергетическая щель - зоны всегда уменьшается с ростом концентрации примеси x; 3) зави (x) симость определяется конкуренцией между уменьшением плотностей со стояний - и - зон на уровне Ферми и увеличением межзонного рассеяния ;
4) слияние энергетических щелей, которое иногда рассматривается как основное следствие двухзонной модели, наблюдалось только в монокристаллах Mg(B1Cx)2 при x = 0.132 (Тсon = 19 K); 5) в монокристаллах и поликристаллах Mg1x AlxB2 межзонное рассеяние недостаточно для того, чтобы обеспечить слияx ние энергетических щелей; 6) при гетеровалентном легировании (замене Mg на Al и B на C) основным эффектом, подавляющим сверхпроводимость, является увеличение числа электронов в системе, сопровождающееся уменьшением плотностей состояний на уровне Ферми; 7) при изовалентном легировании магнитной примесью (Mn) (монокристаллы Mg1-xMnxB2) сверхпроводимость подавляется главным образом в результате рассеяния носителей тока с переворотом спина в - зоне, приводящего к разрушению куперовских пар, и что что рассеяние в - зоне и межзонное рассеяние в Mg1-xMnxB2 при x 0.015 дают небольшой вклад в разрушение сверхпроводящего состояния; 8) при высоком уровне легирования основную роль в подавлении сверхпроводимости в MgB2, по-видимому, начинают играть эффекты, связанные с разупорядочением.
Доказано, что двухзонная модель Элиашберга хорошо описывает легированный MgB2. Подтверждено одно из основных предсказаний двухзонной модели.
Отметим, что в работе [14] на поликристаллах Mg(B1-xCx)2 был получен противоположный результат - энергетические щели (x) и (x) не сливаются вплоть до x = 0.1. Анализ литературы, проведенных измерений и теоретические исследования [13] показали, что такое поведение можно связать с разным качеством образцов.
Энергетические щели облучнного нейтронами MgB2. [д30, д31, д33]. Легирование MgB2 приводит к существенным изменениям в электронной структуре и решетке, которые маскируют эффекты, связанные с ростом межзонного рассеяния. Введение дефектов посредством облучения позволяло в какой-то степени преодолеть эти трудности. Кроме того, изучение облучнных образцов давало возможность измерить характеристики межзонного рассеяния на дефектах другого типа. Основным источником генерации дефектов при облучении MgBтепловыми нейтронами является захват нейтронов 10B с последующим распадом на - частицу и 7Li. Естественная смесь изотопов бора содержит 19.9% B. По этой причине тепловые нейтроны проникают в MgB2, при изготовлении которого использовалась естественная смесь изотопов бора, только на глубину 130 км. Для получения однородно облучнных образцов их размер должен быть значительно меньше глубины проникновения нейтронов. Этого можно достичь при использовании в MgB2 изотопически чистого 11B ( 0.5% 10B), который имеет значительно меньшее сечение захвата тепловых нейтронов.
Облученные образцы были получены от M. Putti (Universita` di Genova, Genova, Italy). Метод изготовления, облучения и характеристики образцов подробно описаны в нескольких статьях. Рентгеноструктурный анализ, измерения удельного сопротивления, магнитной восприимчивости и тепломкости облученных поликристаллов показали, что они имели высокую однородность. Интегральный поток нейтронов (флюенс) через образец увеличивался от 0 до 1.4 1020 см-2. Критическая температура под действием облучения уменьшилась от 38.8 К до 8.7 К, ширина перехода увеличилась от 0.3 К до 0.9 К, удельное сопротивление при 40 К (40 K) увеличилось от 1.6 до 130 мкОмсм. Переход в сверхпроводящее состояние оставался резким даже в наиболее сильно облучнных образцах.
Энергетические щели - и - зон были измерены по спектрам андреевского отражения. Измерения проводились на мягких точечных контактах. Для изуTcA чения отбирались ТК с максимальным сопротивлением и = Тс. Изучение проводимостей контактов, записанных на облучнных образцах при Т = (4.2 4.5) К, показало, что при увеличении интегрального потока нейтронов через образец Ф расстояние между пиками и ширина андреевской структуры уменьшаются. Проводимости, измеренные на образцах, облучнных нейтронами с Ф 5.5 1018 см-2, более точно аппроксимировались двухзонной моделью БТК. Проводимости контактов на образце, облучнном потоком нейтронов Ф = 1.0 10см-2, можно было практически с одинаковой точностью аппроксимировать как двух, так и однозонной БТК - моделями. Проводимости контактов на наиболее сильно облучнном образце (Ф = 1.4 1020 см-2) точно описывались однозонной моделью БТК, то есть в этом образце облучение привело к слиянию энергетических щелей и однощелевой сверхпроводимости. Сделанные измерения позволи (TcA) (TcA) ли построить зависимости, которые четко показали переход и от двухзонной сверхпроводимости к однозонной при облучении MgB2 большим (TcA ) суммарным потоком тепловых нейтронов. При росте Ф почти линейно TcA (TcA) уменьшается с понижением, а немного растт, достигает максимума TcA при 30 К и при дальнейшем увеличении уровня облучения уменьшается.
(TcA) Зависимость указывает на рост межзонного рассеяния с ростом Ф при невысоких уровнях облучения. Полученные результаты во всем диапазоне температур согласуются с измерениями, сделанными M. Putti [15] по температурным зависимостям тепломкости.
Сравнение измеренных зависимостей (TcA ) (TcA ) с рассчитанными и из двухзонной модели Элиашберга (расчт проведн G. A. Ummarino и R. S.
Gonnelli) показало, что измеренные величины Тс, (TcA) (TcA) в области и TcA 2 / kBTcA > 3.52 хорошо воспроизводятся при учте изметемператур, где нений только плотности электронных состояний на уровне Ферми - зоны N (EF ). Этот вывод согласуется с работой [16]. Однако, чтобы воспроизвести небольшой рост при слабом облучении ясно видимый как в данных измерениях, так и в работе M. Putti, в теоретическую модель необходимо ввести отлич ное от нуля межзонное рассеяние.
Таким образом, полученные результаты подтверждают слияние энергетических щелей при высоком уровне облучения, впервые наблюдавшееся в работе N (EF ) [15]. Уменьшение плотности состояний -зоны плюс небольшой рост межзонного рассеяния с увеличением уровня облучения Ф позволили опи (TcA) (TcA) сать все особенности измеренных зависимостей и для образцов с Тс > 20 K. Энергетические щели образцов с Тс = (9 20) К имели меньшие величины, чем следует из теории БКШ. По этой причине они не могли быть описаны моделью Элиашберга.
В шестой главе [д37] описаны некоторые свойства додекаборида циркония ZrB12 и приведены результаты измерений ряда характеристик электронной и фононной структур этого соединения, впервые выполненные на монокристаллах.
Однородный моноблочный монокристалл высокого качества с Тс = 6.19 К и Тс 0.07 К и = 2.1510-6 Омсм был выращен в I. N. Frantsevich Institute for Problems of Materials Science, NASU, Kiev, Ukraine. Зависимость удельного сопротивления ZrB12 от температуры имела вид характерный для хорошего металла - при относительно высоких температурах (T ) T и насыщалась при (T ) низких температурах. Зависимость в диапазоне температур (4.2 175) К точно аппроксимировалась формулой Блоха - Грюнайзена с квадратичной зави(T) симостью транспортной функции ЭФВ от частоты. Из зависимости были tr /(p )2 p получены величины = 283 K и = 0.011 эВ-2 ( - плазменная частоD Tc та). Из формулы Макмиллана для была найдена константа ЭФВ = 0.6* tr (при = 0.1). Предположив, что приблизительно равна , вычислим p = 7.9 эВ. Величина соответствует ЭФВ средней силы.
Измерения энергетической щели были сделаны по спектрам андреевского отражения. Андреевские контакты мягкого типа ZrB12/Ag-клей были получеRN ны на свежем сколе монокристалла ZrB12. контактов > 10 Ом гарантировали баллистический характер протекания тока. Были измерены зависимости dI / dV (V ) в диапазоне температур от 1.8 К до Тс и в магнитном поле вплоть до критического Bc2. Нормированные проводимости точно аппроксимировались однозонной теорией БТК с s- симметрией энергетической щели. Это позволило построить зависимости (T ) и второго критического магнитного поля от темпе(0) ратуры Bc2(T). Зависимость (T ) аппроксимировалась БКШ- кривой с = 2(0) / kBTcA 1.22 мэВ. Отсюда величина приведнной энергетической щели = 4.8, что соответствует сильному ЭФВ. Зависимость Bc2(T) (T 1.8 K) описывалась известным соотношением стандартной теории Элиашберга Bc2 (0)[1 (T /Tc )2 ] Bc2(T) с Bc2(0) = 0.112 Т. Из величины Bc2(0) были найдены F и EF 1 эВ.
Полученные результаты показали, что этот материал является обычным сверхпроводником с s- симметрией энергетической щели и электрон-фононным спариванием (вопрос о силе спаривания остатся открытым), что совпадает с выводами других исследований. Однако в работе [17] было найдено, что зависимости Bc2(T) при T 1.8 K и (Т) отклоняются от стандартных БКШ, что может быть связано с двухзонной природой сверхпроводимости ZrB12 с разными i и Тсi в зонах.
Седьмая глава [д38, д39] посвящена краткому описанию свойств открытого в 2005 г. нового слоистого сверхпроводника CaC6 с Тсon = 11.4 К и изложению результатов, полученных при изучении анизотропии энергетической щели на кристаллах этого соединения.
Измерения энергетической щели, вошедшие в данную работу, были сделаны методом спектроскопии андреевского отражения вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений (для тока смещения ТК, направленного вдоль плоскости атомов углерода (ab) и вдоль оси сab) с использованием мягких RN баллистических контактов CaC6/Ag-клей с = 0.75 - 6.4 Ом на свежих сколах CaC6 кристаллов. Высококачественные CaC6 кристаллы (объм примесных фаз 5%, Тс(10%90%) = 0.1 К, с = 0.8 мкОмсм, ab = 24 мкОмсм) с размерами 110.2 мм3 были синтезированы J. S. Kim в Max-Planck-Institut fur Festkorperforschung, Stuttgart, Germany. Все операции по подготовке к измерениям проводились в боксе, заполненном чистым гелием, так как этот материал очень чувствителен к воде и кислороду. Зависимости NS(V) = dI / dV (V ) имели четкие особенности, связанные с андреевским отражением, и почти плоскую проводимость при V > 8 10 мВ. Для каждого ТК проводимости записывались при разных температурах Т - от минимальной и вплоть до Т Тс. Это позволяло TcA определить критическую температуру каждого андреевского контакта, его проводимость в нормальном состоянии, использованную для нормирования, и (T ) построить зависимости. Нормированные проводимости для всех ТК с током смещения как вдоль плоскости ab, так и вдоль оси с точно аппроксимировались однозонной теорией БТК с s- симметрией энергетической щели. Для всех TcA исследованных 35 контактов = 11.3 0.1 К, то есть совпадала с Тс образцов, а (T ) зависимость в пределах ошибки следовала БКШ - зависимости. Для контактов с током смещения, текущим вдоль плоскости ab, энергетическая щель (0) (0) изменялась от 1.1 мэВ до 1.7 мэВ. Для 14 ТК с током вдоль оси с ле(0) жала в диапазоне 1.3 1.94 мэВ. Разброс величин, измеренных вдоль взаимно перпендикулярных направлений, хорошо аппроксимировался распределениями Гаусса. Максимум и ширина распределения Гаусса для контактов с током ab(0) вдоль плоскости ab равнялись = 1.35 мэВ и ab = 0.14 мэВ, для контактов с c (0) током вдоль оси с = 1.71 мэВ и c = 0.08 мэВ, соответственно. Измеренные величины согласуются с вычисленными из первых принципов [18]. Измеренc (0) ная величина в пределах ошибки совпала с результатами работы [19]. Несколько контактов (3 с током вдоль плоскости ab и 3 с током вдоль оси с) показали энергетические щели между 2.1 мэВ и 2.4 мэВ, величина которых аналогична полученным в работе [20]. Эти величины не противоречат теоретическим значениям, если учесть точность вычислений ( 17%), однако причина низкой вероятности появления таких величин при измерениях не известна.
Для сравнения результатов измерений с теорией авторы теоретических расчтов CaC6 [18] вычислили проводимости андреевских контактов между сверхпроводящим кристаллом CaC6 и изотропным нормальным металлом для двух взаимно перпендикулярных направлений тока смещения: вдоль оси a и вдоль оси c. Вычисленная щель в направлении оси с (1.68 мэВ) в пределах ошибки совпала с результатами измерений. Вычисленная щель в направлении оси а (1.55 мэВ) оказалась несколько больше измеренной (1.3 1.44 мэВ по максиму распределения Гаусса). Это расхождение может быть приписано неточности в вычислениях энергетической щели, так как вычисление критической температуры CaC6 методом, использованным в работе [18], дало ошибку 17%.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные при работе над диссертацией:
1. Разработан метод создания стабильных туннельных контактов на криогенном сколе ВТСП- кристаллов типа ВТСП/Nb и стабильных туннельных контактов типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (S/I/S) на микротрещине (лbreak-junction contact) ВТСП- кристалла. Проведены туннельные исследования La2-xSrxCuO4-, EuBa2Cu3O7- и Bi2Sr2CuCa2O8+ (Bi2212) кристаллов. Получены воспроизводимые туннельные спектры, измерены энергетические щели 2(0) / kBTc , температурные зависимости щелей (T), показано, что величина значительно превышает 3.5 для всех исследованных материалов. Впервые на туннельных спектрах ВТСП при E > 2 была разрешена тонкая структура и доказано, что эта структура обусловлена электрон-фононным взаимодействием (ЭФВ).
2. Проведены туннельные исследования нелегированных Bi2Sr2Cu2Ca3O10+ (Bi2223) кристаллов. Кристаллы с Tc = (109 1) K, зеркальной поверхностью и размерами до 110.003 мм3, содержали (97 95)% Bi2223 фазы. Величина энергетической щели, измеренная по расстоянию между пиками 2р-р, лежала в диапазоне от 80 до 105 мэВ. Нормированная туннельная проводимость сравнивалась с плотностью состояний БКШ, учитывающей конечное время жизни квазичастиц . Эта процедура дала среднюю величину = 38.5 мэВ 2(0) / kBTc и приведенную величину энергетической щели 8, соответствующую очень сильной связи.
3. Методом спектроскопии андреевского отражения изучены зависимости энергетической щели La2-xSrxCuO4 (LSCO) от уровня легирования и температуры в диапазоне концентраций Sr 0.08 x 0.2. Показано, что характерные особенности на зависимости проводимости от напряжения, связанные с андреевским отражением, исчезали при Т = Тс образца при всех уровнях легирования.
Сравнение с теорией выявило, что энергетическая щель может быть описана ( s dx y2 ) либо ( dx y2 idxy ) - типами симметрии при всех легированиях и тем2 пературах. Установлено, что зависимость доминирующей (имеющей большую амплитуду) компоненты энергетической щели от x следует за зависимостью критической температуры от x. Эти результаты указывают на разную природу псевдощели и энергетической щели сверхпроводящего состояния в LSCO.
4. Исследован эффект Джозефсона в MgB2. Контакты Джозефсона на микротрещине в высококачественном поликристаллическом MgB2 были получены при температуре 4.2 К. Вольт-амперные характеристики точно описывались резистивной моделью контакта, смещенного током, при учте небольшой мкости и тепловых флуктуаций. При облучении контактов СВЧ электромагнитным излучением диапазона (9 15) ГГц на вольт-амперной характеристике наблюдались четкие, большой амплитуды ступеньки постоянного тока (ступеньки Шапиро), расположенные друг от друга на расстоянии V (h / 2e) f. Были изучены: 1) зависимость постоянного тока Джозефсона от температуры и мощности СВЧ сигнала; 2) зависимость амплитуд ступенек Шапиро от мощности СВЧ сигнала. Полученные результаты доказывают существование пар с зарядом 2е в MgB2 и свидетельствуют о S/N/S природе слабой связи этих контактов.
5. Разработан метод создания мягких точечных контактов андреевского типа (S/N) между изучаемым сверхпроводником и каплей токопроводящего клея. Достоинствами таких контактов являются: 1) стабильность при изменении температуры в диапазоне (4.2 140) К и магнитного поля, что позволяет сделать все необходимые измерения на одном ТК и повысить достоверность полученных результатов; 2) отсутствие давления, которое может исказить характеристики сверхпроводника; 3) возможность работать с тонкими, хрупкими образцами и создавать на них баллистические контакты с током смещения, текущим вдоль различных осей исследуемого кристалла; 4) возможность проводить измерения при сверхнизких температурах и высоких давлениях. Контакты этого типа были использованы при изучении ряда новых сверхпроводников: MgB2, ZrB12, CaC6. Результаты, полученные с помощью мягких контактов, согласуются с данными известных работ.
6. На монокристаллах MgB2 измерены энергетические щели и вклады - и - зон в полную проводимость баллистического андреевского контакта при протекании тока в плоскости ab и вдоль оси c. Найдено, что величины щелей и вклады зон в полную проводимость находятся в согласии с предсказанием двухзонной модели. Предложено использовать магнитное поле для разделения вкладов - и - зон MgB2 в проводимость точечного контакта. Селективное удаление энергетической щели - зоны магнитным полем позволило измерить энергетические щели и независимо друг от друга, что существенно увеличило точность измерений этих величин в широком диапазоне температур, вплоть до Тс. Проведены детальные исследования зависимостей энергетических щелей - и - зон монокристаллов MgB2 от температуры. Найдено, что в соответствии с предсказанием двухзонной модели, (Т) следует БКШ зависимости, а (Т) отклоняется от БКШ кривой при Т > 25 К.
7. Методом спектроскопии андреевского отражения измерены зависимости энергетических щелей - и - зон монокристаллов MgB2 от напряженности магнитного поля, параллельного оси с кристалла (B) и (B). Проверена недавно созданная теория смешенного состояния грязных двухзонных сверхпроводников. Полученные результаты согласуются с теорией и доказывают, что - зона даже в лучших монокристаллах находится в умеренно грязном пределе и скорость рассеяния носителей тока в зонах меняется от образца к образцу.
8. Методом спектроскопии андреевского отражения исследованы зависимости энергетических щелей - и - зон легированного MgB2 от типа легирующей примеси и уровня легирования:
а) монокристаллов MgB2, легированных углеродом Mg(B1-xCx)2, 0.055 x 0.132, Тс = 39 19 К;
б) монокристаллов и поликристаллов MgB2, легированных алюминием Mg1-xAlxB2, 0.02 x 0.32, Тс = 38 12 К;
в) монокристаллов MgB2, легированных марганцем Mg1-xMnxB2, 0.0037 x 0.015, Tc = 39 13.3 K.
Изучено влияние легирования на характеристики сверхпроводящего состояния MgB2: роль заполнения зон, меж - и внутри - зонного рассеяния, разупорядочения. Показано, что: 1) двухщелевая природа MgB2 очень устойчива - моTc жет сохраняться при сильном легировании (даже при уменьшении до 10 К);
2) энергетическая щель - зоны всегда уменьшается с ростом концентрации (x) примеси x; 3) зависимость определяется конкуренцией между уменьшением плотностей состояний - и - зон на уровне Ферми и увеличением межзонно го рассеяния ; 4) слияние энергетических щелей, которое иногда рассматривается как основное следствие двухзонной модели, наблюдалось только в монокристаллах Mg(B1-xCx)2 при x = 0.132 (Тсon = 19 K); 5) в монокристаллах и поли кристаллах Mg1-xAlxB2 межзонное рассеяние недостаточно для того, чтобы обеспечить слияние энергетических щелей; 6) при гетеровалентном легировании (замене Mg на Al и B на C) основным эффектом, подавляющим сверхпроводимость, является увеличение числа электронов в системе (заполнение зон), сопровождающееся уменьшением плотностей состояний на уровне Ферми; 7) при изовалентном легировании магнитной примесью (Mn) (монокристаллы Mg1-xMnxB2) сверхпроводимость подавляется, главным образом, в результате рассеяния носителей тока с переворотом спина в - зоне, приводящего к разрушению куперовских пар, и что рассеяние в - зоне и межзонное рассеяние в Mg1-xMnxB2 при x 0.015 дают небольшой вклад в разрушение сверхпроводящего состояния; 8) при высоком уровне легирования основную роль в подавлении сверхпроводимости в MgB2, по-видимому, начинают играть эффекты, связанные с разупорядочением.
Подтверждено одно из основных предсказаний двухзонной модели и доказана е высокая точность.
9. Методом спектроскопии андреевского отражения измерены зависимости энергетических щелей - и - зон поликристаллов Mg11B2, облученных нейтронами с интегральной плотностью потока через образец Ф до 1.41020 cm-TcA (Tc ) (Tc = 39.2 9.2 К), от критической температуры образца Тс = - и (Tc ). (TcA - температура, при которой структура на зависимости (V), связанная с андреевским отражением, исчезает). Изучено влияние дефектов и разупорядочения, появляющихся в результате воздействия нейтронного облучения, на сверхпроводящее состояние MgB2. Показано, что для образцов с Тс = (39 20) К при описании сверхпроводящего состояния необходимо учитывать небольшое увеличение скорости межзонного рассеяния с ростом Ф. Подтверждено, что:
а) энергетические щели зон сливаются при TcA 9 К; б) при росте Ф основной вклад в разрушение сверхпроводимости дат уменьшение плотности состояний квазичастиц на уровне Ферми - зоны N (EF ).
10. Методом спектроскопии андреевского отражения исследована энергетическая щель монокристалла ZrB12. Проведены измерения и оценки ряда фундаментальных физических параметров этого соединения: температуры Дебая = 283 К; константы электрон-фононного взаимодействия = 0.67; плазменной D частоты Юp = 5.6 эВ; энергии Ферми ЕF = 3 эВ; величины энергетической щели 2(0) = 2.5 мэВ; второго критического магнитного поля Bc2 (0) = 0.112 Т. Измерены зависимости энергетической щели и второго критического магнитного по(T ) Bc2 (T) ля от температуры: и. Полученные результаты доказывают, что этот материал является обычным БКШ- сверхпроводником с s-симметрией энергетической щели и электрон-фононным спариванием.
11. Исследована анизотропия энергетической щели недавно (2005 г.) открытого сверхпроводника СаС6. Измерения энергетической щели были проведены на большом числе мягких точечных контактов СаС6/Ag андреевского типа с током через контакт, протекающим вдоль плоскостей атомов углерода (плоскость ab) или вдоль направления перпендикулярного этим плоскостям (вдоль ab(0) с (0) оси c). Распределения найденных величин и описывались гауссовыми кривыми с максимумами при 1.35 и 1.75 мэВ, соответственно. Полученные результаты доказывают анизотропный характер энергетической щели в СаС6, согласуются с теоретическими представлениями об этом материале и позволяют проверить точность расчтов.
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в следующих работах:
д1. Веденеев С. И., Казаков И. П., Кирьянов А. П., Максимовский С. Н., Степанов В. А. Туннельные исследования монокристаллов Eu1Ba2Cu3O7. // Письма в ЖЭТФ, 1988, т. 47, № 6, с. 306.
д2. Веденеев С. И., Казаков И. П., Максимовский С. Н., Степанов В. А.
Измерение энергетической щели в сверхпроводящих кристаллах системы Bi-SrCa-Cu-O методом туннельного эффекта. // Письма в ЖЭТФ, 1988, т. 47, № 11, с. 585.
д3. Веденеев С. И., Казаков И. П., Кирьянов А. П., Максимовский С. Н., Степанов В. А. Туннельные исследования монокристаллов La2-xSrxCuO4-y с Тс = 12 13 К. // Физика твердого тела (Ленинград), 1988, т. 30, № 9, с. 2861.
д4. Bulaevskii L. N., Dolgov O. V., Kazakov I. P., Maksimovskii S. N., Ptitsyn M. O., Stepanov V. A. and Vedeneev S. I. A tunneling study of the oxide superconductors La2-xSrxCuO4-y and EuBa2Cu3O7. // Supercond. Sci. Technol., 1988, Vol. 1, P. 205.
д5. Веденеев С. И., Степанов В. А. Электрон-фононное взаимодействие в монокристаллах BiSrCaCuO с разнми Tc. // Письма в ЖЭТФ, 1989, т. 49, № 9, с. 510.
д6. Vedeneev S. I., and Stepanov V. A. Electron tunneling spectroscopy of the high-Tc superconducting single crystals of Bi-Sr-Ca-Cu-O. // Physica C, 1989, Vol. 162-164, P. 1131.
д7. Gorina J. I., Kaljushnaia G. A., Ktitorov V. I., Martovitsky V. P., Rodin V. V., Stepanov V. A., Tsvetkov A. A. and Vedeneev S. I. Superconducting and structural properties of homogeneous BiSrCaCuO (2212) single crystals prepared by solution growth. // Solid. St. Commun., 1993, Vol. 85, N 8, P. 695.
д8. Веденеев С. И., Кузнецов К. А., Степанов В. А., Цветков А. А.
О возможности сравнения туннельной плотности состояний BiSrCaCuO (2212) с моделью БКШ. // Письма в ЖЭТФ, 1993, т. 57, № 6, с. 338.
д9. Vedeneev S. I., Samuely P., Jansen A. G. M., Wyder P. and Stepanov V. A.
Break-junction tunneling experiments for Bi2Sr2CaCu2Ox in a strong magnetic field. // Physica B., 1994, Vol. 194-196, P. 1767.
д10. Vedeneev S. I., Jansen A. G. M., Samueli P., Tsvetkov A. A., Stepanov V. A., Wyder P. Tunneling in the ab plane of the high Tc superconductor Bi2Sr2CaCu2O8+y. // Phys. Rev. B, 1994, Vol. 49, N 14, P. 9823.
д11. Gonnelli R. S., Ummarino G. A., Stepanov V. A. Determination of the tunneling electron-phonon spectral function in high-Tc superconductors with energy dependence of the normal density of states. // Physica C, 1997, Vol. 275, P. 162.
д12. Gonnelli R. S., Ummarino G. A., Stepanov V. A. Reproducible tunneling determination of the electron-phonon spectral function in optimally-doped Bi-22single-crystal break junctions. // J. Phys. Chem. Solids, 1998, Vol. 59, N 10-12, P. 2058.
д13. Gorina J. I., Kaljuzhnaia G. A., Martovitski V. P., Rodin V. V., Sentjurina N. N., Stepanov V. A. Growth and structural and superconducting properties of Bi2Sr2Ca2Cu3O10 (Bi2223) crystals grown in cavities formed in solution-melt KCl. // Solid State Communications, 1999, Vol. 110, P.. 287.
д14. Vedeneev S. I., Stepanov V. A. Superconducting energy gap in Bi2Sr2Ca2Cu3O10-x (Bi2223) single crystals. // JETP Lett., 2001, Vol 73, N 3, P. 141.
д15. Gonnelli R. S., Galzolari A., Daghero D., Natale L., Ummarino G., Stepanov V. A., Ferretti M. Temperature and doping dependence of Andreev reflection in Au/La2-xSrxCuO4 point-contact junction. // Int. Journal of Mod. Phys. B, 2000, Vol. 14, P. 3472.
д16. Gonnelli R. S., Galzolari A., Daghero D., Natale L., Ummarino G., Stepanov V. A., and Ferretti M. Evidence for pseudogap and phase-coherence gap separation by Andreev-reflection experiments in Au/La2-xSrxCuO4 point-contact junctions. // The European Physical Journal B, 2001, Vol. 22, P. 411.
д17. Daghero D., Gonnelli R. S., Ummarino G. A., Stepanov V. A. Possible d+id scenario in La2-xSrxCuO4 by point-contact measurements. // Int. J. Mod. Phys. B, 2003, Vol. 17, N 4,5&6, P. 649.
д18. Gonnelli R. S., Galzolari A., Daghero D., and Ummarino G. A., Stepanov V. A., Fino P., Giunchi G, Serecara S., and Ripamonti G. Temperature and junctiontype dependency of Andreev reflection in MgB2. // Journal of Physics and Chemistry of Solids, 2002, Vol. 63, P. 2319.
д19. Gonnelli R. S., Galzolari A., Daghero D., and Ummarino G. A., Stepanov V. A., Giunchi G, Serecara S., and Ripamonti G. Josephson effect in MgB2 break junctions. // Phys. Rev. Lett., 2001, Vol. 87, N 9, 097001.
д20. Gonnelli R. S., Daghero D., Ummarino G. A., Stepanov V. A., Jun J., Kazakov S. M., and Karpinski J. Direct evidence for two-band superconductivity in MgB2 single crystals from directional point-contact spectroscopy in magnetic field. // Phys. Rev. Lett., 2002, Vol. 89, N 24, 247004.
д21. Gonnelli R. S., Daghero D., Ummarino G. A., Stepanov V. A., Jun J., Kazakov S. M., and Karpinski J. Independent determination of the two gaps by directional point-contact spectroscopy in MgB2 single crystals. // Supercond. Sci. Technol., 2003, Vol 16, P. 171.
д22. Daghero D., Gonnelli R. S., Ummarino G. A., Stepanov V. A., Jun J., Kazakov S. M., and Karpinski J. Point-contact spectroscopy in MgB2 single crystals in magnetic field. // Physica C, 2003, Vol. 385, P. 255.
д23. Gonnelli R. S., Daghero D., Calzolari A., Ummarino G. A., Dellarocca Valeria, Stepanov V. A., Jun J., Kazakov S. M., and Karpinski J. The Magnetic-field Dependence of the Gaps in a Two-band Superconductor: A Point-contact Study of MgBSingle Crystals. // Phys. Rev. B, 2004, Vol. 69, 100504(R).
д.24. Степанов В. А., Gonnelli R. S., Daghero D., Calzolari A., Ummarino G. A., Dellarocca Valeria, Kazakov S. M., Jun J., and Karpinski J. Исследование энергетических щелей монокристаллов Mg(B1-yCy) с 0.047 y 0.132 методом спектроскопии андреевского отражения. // 1-ая Международная конференция УФундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимостиФ (ФПС'04). 18 - 22 октября 2004 г., Москва - Звенигород, Россия. Сборник трудов, с 244. Москва ФИАН.
д25. Gonnelli R. S., Daghero D., Calzolari A., Ummarino G. A., Dellarocca Valeria, Stepanov V. A., Kazakov S. M., Zhigadlo N., and Karpinski J. Evidence for Single-gap Superconductivity in Mg(B1-xCx)2 Single Crystals with x=0.132 from Point-Contact Spectroscopy. // Phys. Rev. B, 2005, Vol. 71, 060503(R).
д26. Putti M., Ferdeghini C., Monni M., Pallecchi I., Tarantini C., Manfrinetti P., Palenzona A., Daghero D., Gonnelli R. S., Stepanov V. A. Critical Field of AlDoped MgB2 Samples: Correlation with the Suppression of -Band Gap. // Phys. Rev.
B, 2005, Vol. 71, 144505.
д27. Daghero D., Gonnelli R. S., Calzolari A., Ummarino G. A., Dellarocca Valeria, Stepanov V. A., Zhigadlo N., Kazakov S. M., and Karpinski J. The superconducting gaps of C-substituted and Al-substituted MgB2 single crystals by point-contact spectroscopy. // Physica Status Solidi (C), 2005, Vol. 2, N 5, P. 1656.
д28. Karpinski J., Zhigadlo N. D., Schuck G., Kazakov S. M., Batlogg B., Rogacki K., Puzniak R., Jun J., Mller E., Wgli P., Gonnelli R., Daghero D., Ummarino G. A., Stepanov V. A. Al substitution in MgB2 crystals: influence on superconducting and structural properties. // Phys. Rev. B, 2005, Vol. 71, 174506.
д29. Gonnelli R. S., Daghero D., Ummarino G. A., Calzolari A., Tortello M., Stepanov V. A., Zhigadlo N. D., Rogacki K., Karpinski J., Bernardini F., Massida S.
The effect of magnetic impurities in a two-band superconductor: A point-contact study of Mn-substituted MgB2 single crystals. // Phys. Rev. Lett., 2006, Vol. 97, 037001.
д30. Степанов В. А., Gonnelli R. S., Daghero D., Ummarino G. A., Calzolari A., Tortello M., Putti M., Manfrinetti P., Palenzona A. Спектроскопия андреевского отражения облучнного нейтронами MgB2. // 2-ая Международная конференция УФундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимостиФ (ФПС'06). 9 - 13 октября 2006 г, Москва - Звенигород, Россия. Сборник трудов, с.199, Москва ФИАН.
д31. Daghero D., Galzolari A., Ummarino G. A., Tortello M., Gonnelli R. S., Stepanov V. A., Tarantini C., Manfrinetti P., Lehmann E.. Andreev-reflection spectroscopy in neutron-irradiated Mg11B2. // Phys. Rev. B, 2006, Vol. 74, 174519.
д32. Gonnelli R. S., Daghero D., Calzolari A., Ummarino G. A., Tortello M., Stepanov V. A., Zhigadlo N. D., Rogacki K., Karpinski J., Portesi C., Monticone E., Mijatovic D., Veldhuis D., Brinkman A. Recent achievements in MgB2 physics and applications: A large-area SQUID magnetometer and point-contact spectroscopy measurements. // Physica C, 2006, Vol. 435, N 1 - 2, P. 59.
д33. Daghero D., Gonnelli R. S., Calzolari A., Ummarino G. A., Tortello M., Stepanov V. A., Zhigadlo N. D., Rogacki K., Karpinski J., Putti M. Point-contact spectroscopy in doped and irradiated MgB2. // Advances in Science and Technology, 2006, Vol. 47, P. 75.
д34. Gonnelli R. S., Daghero D., Ummarino G. A., Tortello M., Delaude D., Stepanov V. A., Karpinski J. Point-contact Andreev-reflection spectroscopy in MgB2:
The role of substitutions. // Physica C, 2007, Vol. 456, P. 134.
д35. Gonnelli R. S., Calzolari A., Daghero D., Delaude D., Tortello M., Ummarino G. A., Stepanov V. A., Zhigadlo N. D., Karpinski J., Manfrinetti P. Effect of Heavy Al Doping on MgB2: A Point-Contact Study of Crystals and Polycrystals //.
J Supercond. Nov. Magn., 2007, Vol. 20, N 7-8, P. 555.
д36. Daghero D., Delaude D., Galzolari A., Tortello M., Ummarino G. A., Gonnelli R. S., Stepanov V. A., Zhigadlo N. D., Katrych S., and Karpinski J. Pointcontact Andreev - reflection spectroscopy in segregation-free Mg1-xAlxB2 single crystals up to x = 0.32. // J. Phys.: Condens. Matter., 2008, Vol. 20, 085225.
д37. Gonnelli R. S., Daghero D., Ummarino G. A., Calzolari A., Dellarocca Valeria, Stepanov V. A., Filippov V. B. and Paderno Y. B. Andreev-reflection spectroscopy in ZrB12 single crystals. // Superconductor Science and Technology, 2004, Vol. 17, P. S250.
д38. Gonnelli R. S., Daghero D., Delaude D., Tortello M., Ummarino G. A., Stepanov V. A., Kim J. S., Kremer R. K., Sanna A., Profeta G., and Massidda S.
Evidence for gap anisotropy in CaC6 from directional point-contact spectroscopy. // Phys. Rev. Lett., 2008, Vol. 100, 207004.
д39. Степанов В. А., Gonnelli R. S., Daghero D., Delaude D., Tortello M., Ummarino v, Kim J. S., Kremer R. K., Sanna A., Profeta G., and Massidda S. Исследование анизотропии энергетической щели CaC6. // 3-ая Международная конференция УФундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимостиФ (ФПС'08). Москва - Звенигород, Россия, 13 - 17 октября 2008 г. Сборник трудов, с.305, Москва ФИАН.
Цитированная литература.
1. Вольф Е. Л. Принципы электронной туннельной спектроскопии // Пер. с англ.
под ред. В. М. Свистунова. Киев, Наукова думка, 1990, с.454.
2. Андреев А. Ф. Теплопроводность промежуточного состояния сверхпроводников // ЖЭТФ, 1964, т. 46, № 5, с. 1823.
3. Blonder G. E., Tinkham M., Klapwijk T. M. Transition from metallic to tunneling regimes in superconducting microconstrictions: Excess current, charge imbalance, and supercurrent conversion // Phys. Rev. B, 1982, Vol. 25 N 7, P. 4515.
4. Deutscher G. Coherence and single-particle excitations in the high-temperature superconductors // Nature, 1999, Vol. 397, N 6718, P. 410.
5. Kashiwaya S., Tanaka Y., Koyanagi M., and Kajimura K. Theory for tunneling spectroscopy of anisotropic superconductors // Phys. Rev. B, 1996, Vol. 53, N 5, P. 2667.
6. Plecenk A, Grajcar M, Benacka S, Seidel P., and Pfuch A. Finite-quasiparticlelifetime effects in the differential conductance of Bi2Sr2CaCu2Oy/Au junctions // Phys. Rev. B, 1994, Vol. 49, N 14, P. 10016.
7. Brinkman A., Golubov A. A., Rogalla H. Dolgov O. V., Kortus J., Kong Y., Jepsen O. and Andersen O. K. Multiband model for tunneling in MgB2 junctions // Phys. Rev.B, 2002, Vol. 65, N 18, 180517.
8. Hasegawa T, Ikuta H., Kitazawa K. Tunneling spectroscopy of oxide superconductors // in Physical properties of high-temperature superconductors III (D.M. Ginsberg, Ed.), World Scientific, Singapore, 1992, Chapter 7, P. 525.
9. Tsuda N., Shimada D. Tunneling study of the electron-phonon interaction in Bi2Sr2CaCu2O8 // Physica C, 2004, Vol. 412-414, Part 1, P. 76.
10. Пономарв Я. Г. Туннельная и андреевская спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников. // УФН, 2002, т. 172, №6, с 705.
11. Koshelev A. E. and Golubov A. A. Mixed State of a Dirty Two-Band Superconductor: Application to MgB2 // Phys. Rev. Lett., 2003, Vol. 90, N 17, 177002.
12. Golubov A. A., Mazin I. I. Effect of magnetic and nonmagnetic impurities on highly anisotropic superconductivity // Phys. Rev. B, 1997, Vol. 55, N 22, P. 15146.
13. Kortus J., Dolgov O. V., and Kremer R. K., Golubov A. A. Band Filling and Interband Scattering Effects in MgB2: Carbon versus Aluminum Doping // Phys. Rev.
Lett., 2005, Vol. 94, N 2, 027002.
14. Slabo P., Samuely P., Pribulova Z., Angst M., BudТko S., Canfield P. C., Marcus J.
Point-contact spectroscopy of Al- and C- doped MgB2. Superconducting energy gaps and scattering studies // Phys. Rev. B, 2007, Vol. 75, N 14, 144507.
15. Putti M., Affronte M., Ferdeghini C., Manfrinetti P., Tarantini C., and Lehmann E.
Observation of the Crossover from Two-Gap to Single-Gap Superconductivity through Specific Heat Measurements in Neutron-Irradiated MgB2 // Phys. Rev.
Lett., 2006, Vol. 96, N 7, 077003.
16. Gerashenko A. P., Mikhalev K. N., Verkhovskii S. V., Karkin A. E., and Goshchitskii B. N. Reduction in the electron density of states in superconducting 11 MgB2 disordered by neutron irradiation: B and Mg NMR estimates // Phys.
Rev. B, 2002, Vol. 65, N 13, 132506.
17. Gasparov V. A., Sidorov N. S., Zver'kova I. I. Two-gap superconductivity in ZrB12: Temperature dependence of critical magnetic fields in single crystals // Phys. Rev. B, 2006, Vol. 73, 094510.
18. Sanna A., Profeta G., Floris A., Marini A., Gross E. K. U., and Massidda S. Anisotropic gap of superconducting CaC6: A first-principles density functional calculation // Phys. Rev. B, 2007, Vol. 75, N 2, 020511(R).
19. Bergeal N., Dubost V., Noat Y., Sacks W., and Roditchev D., Emery N., Herold C., Mareche J-F., and Lagrange P., Loupias G. Scanning Tunneling Spectroscopy on the Novel Superconductor CaC6 // Phys. Rev. Lett., 2006, Vol. 97, N 7, 077003.
20. Kurter C., Ozyuzer L., Mazur D., Zasadzinski J. F., Rosenmann D., Claus H., Hinks D. G., and Gray K. E. Large energy gaps in CaC6 from tunneling spectroscopy: Possible evidence of strong-coupling superconductivity // Phys. Rev. B, 2007, Vol. 76, N 22, 220502.