Высокотемпературные сверхпроводники
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?о очень низких температур. Такая линейная зависимость наблюдается в очень широкой области температур: от ~10-3 до 600К (при более высоких температурах уже начинает меняться концентрация кислорода). Это совершенно необычное поведение для металла. Для объяснения привлекались раздичные модели (нефононный механизм рассеяния носителей, изменение концентрации электронов с Т и др.). Однако эта проблема еще не разрешена до конца.
На рис. 1.3 показана температурная зависимость сопротивления для ВТСП-соединения YBa2Cu3O7 вдоль оси с. Ход полупроводниковый, а наблюдаемая величина сопротивления приблизительно в 1000 раз больше.
Рис. 1.2 Температурная зависимость сопротивления YBa2Cu3O7 в плоскости ab
Рис.1.3 Температурная зависимость сопротивления YBa2Cu3O7 вдоль оси с
.2 Псевдощель и фазовая диаграмма
.2.1 Псевдощель
Еще одно уникальное явление, обнаруживаемое только в ВТСП, ? псевдощель ?*. При некоторой температуре Т*>Tc плотность состояний на поверхности Ферми перераспределяется: на части поверхности плотность состояний уменьшается. Ниже температуры Т* соединение существует в несколько необычном нормальном состоянии - состоянии с псевдощелью. Величина Т* при низком уровне легирования может достигать значений 300-600К для разных ВТСП-систем, т.е. сильно превосходить Тc. В области слабого легирования Т* падает с ростом уровня легирования, в то время как Тс растет [5].
Псевдощель проявляется при измерениях туннелирования, фотоэмиссии, теплоемкости и других свойств ВТСП. В то же время проводимость образца при Т<T* остается конечной и не равна нулю. Отсюда и произошло название. На рис. 1.4 показана зависимость псевдощели от уровня легирования в ВТСП-системах YBa2Cu3O7-? и BiSrCaCuO. Несмотря на большой разброс экспериментальных точек, видно, что ?* может быть намного больше ? и достигать 80-100мэВ.
Рис. 1.4 Зависимость псевдощели ?* от концентрации дырок для ВТСП-систем YBa2Cu3O7-? и BiSrCaCuO [4]. Величина псевдощели определялась по измерениям туннелирования (квадраты), теплоемкости (точки) и методом ARPES (ромбы). Пунктирная линия ?(p)=5kTc(p)
Для объяснения псевдощелевого состояния были предложены три основные модели[ 5]:
). Флуктуации фазы параметра порядка имеют столь большую амплитуду, что понижают температуру перехода в СП состояние от Т* до Тc. При этом куперовские пары электронов при Т>Tc существуют, но флуктуационно.
). При Т* образуются стабильные пары электронов (как в обычных сверхпроводниках), однако они не когерентны, поэтому их бозе-конденсация не наступает вплоть до Т=Тc. Бозе-конденсация (образование когерентного состояния) происходит при Тc.
Оба сценария имеют право на существование, так как длина когерентности (размер пары) в ВТСП очень мала. Однако целый ряд экспериментов противоречит этому сценарию и указывает на независимость ?* и сверхпроводящей щели ?. Например, в соединении Bi2Sr2CuO6 обе щели сосуществуют вплоть до очень низких температур.
Известно и такое утверждение, которое противоречит данной модели, в которой ?* является предвестником ?: в магнитном поле ?>0, в то время как ?* от поля зависит слабо. Отсюда делается вывод о разной природе ?* и ?. В работе [6] псевдощель ?* наблюдалась в коре вихрей. Это по мнению авторов - аргумент в пользу разной природы ? и ?*. Этот вывод считают не очень убедительным, т.к. магнитному полю труднее подавить отдельные пары, чем конденсат в целом.
). Антиферромагнитное упорядочение приводит к образованию магнитной зоны Бриллюэна с уменьшенным периодом в k - пространстве. Это, в свою очередь, приводит при температуре Т* к образованию диэлектрической щели на поверхности Ферми (так называемый нестинг) для некоторых направлений в кристалле.
Единого мнения до сих пор нет. Возможно, что псевдощелевое состояние - это состояние, в котором образуется и диэлектрическая щель в некоторых направлениях и в то же время возникают некогерентные пары электронов (дырок).
.2.2 Фазовая диаграмма
Варианты типичной фазовой диаграммы ВТСП-купратов показаны на рис. 1.5. В зависимости от концентрации носителей тока (как правило, дырок) в высокопроводящей плоскости CuO2 наблюдается целый ряд фаз и областей с аномальными физическими свойствами. В области малых концентраций дырок все известные ВТСП-купраты являются антиферромагнитными диэлектриками. С повышением концентрации носителей тока температура Нееля TN быстро падает от величин порядка нескольких сотен градусов Кельвина, обращаясь в нуль при концентрации дырок p меньше или порядка 0,05 и система становится (плохим) металлом. При дальнейшем росте концентрации дырок система становится сверхпроводником, причем температура сверхпроводящего перехода растет с увеличением концентрации носителей, проходя через характерный максимум при p0~0,15-0,17 (оптимальное допирование), а затем уменьшается и исчезает при p~0,25-0,30, хотя в этой (передопированной) области металлическое поведение сохраняется. При этом в области p>p0 металлические свойства достаточно традиционны (ферми-жидкостное поведение), тогда как при p<p0 система является аномальным металлом, не описываемым, по мнению большинства авторов, теорией ферми-жидкости.
Аномалии физических свойств, связываемые в настоящее время с образованием псевдощелевого состояния, наблюдаются в металлической фазе при p<p0 и температурах T<T*, где T* уменьшается от температур порядка TN при p~0,05, обращаясь в нуль при некоторой критической концентрации н