Введение к работе
Актуальность темы исследования
MgB2 является сверхпроводником с наивысшей для бинарных соединений критической температурой (Тс«40 К). Такая критическая температура не характерна для классических сверхпроводников, и в тоже время она значительно ниже Тс высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). В отличие от сложных ВТСП-оксидов диборид магния имеет исключительно простые состав и структуру. Большое внимание исследователей привлекла роль квазидвумерной (2D) структуры MgB2. Было отмечено сходство структуры и электронных свойств MgB2 и графита. Оба соединения имеют слоистую структуру, изоэлектронны (ионная формула борида Mg (В2)~) и обладают подобным типом химической связи, включающей сильные внутрислоевые а-связи и слабые межслоевые 7Г-связи. Природа указанных аналогий становится понятной при анализе зонной структуры и фононного спектра диборида магния [1-3]. Механизм спаривания в MgB2 имеет фононный характер, на что указывает обнаружение в этом материале изотопического эффекта по бору. Присутствие сингулярности ван Хова в 2D а-зонах может существенно повлиять на величину критической температуры Тс, если с помощью допирования сместить уровень Ферми на пик плотности квазичастичных состояний. Возможно, наиболее удивительным результатом теоретического анализа сверхпроводящих свойств диборида магния было предсказание двухщелевой сверхпроводимости в этом материале [1-3]. Авторами было показано, что без учета а-7і-взаимодействия в дибориде магния должны сосуществовать два сверхпроводящих конденсата с существенно различными критическими температурами: 1) Тсст« 45 К для 2D-сверхпроводимости в а-зонах (поверхность Ферми состоит из двух гофрированных цилиндров с осями в с-направлении), 2) Тся~ 15 К для 3D-сверхпроводимости в 7Г-зонах (поверхность Ферми состоит из двух трехмерных "трубочных" конструкций). В реальности, благодаря слабому а-7Г-взаимо-
действию диборид магния имеет единую критическую температуру Тс « 40 К при двух сверхпроводящих щелях A(j(0) « 7 мэВ и А^О) « 2 мэВ [1-4].
В теоретической работе Леггетта было показано, что в двухщелевых сверхпроводниках существует уникальная возможность возникновения низкочастотных плазменных мод, связанных с флуктуациями относительной фазы параметров порядка двух сверхпроводящих конденсатов (леггеттовские плазменные моды) [5]. Свойства этих мод в дибориде магния были исследованы в теоретических работах [6-11]. Результаты экспериментальных исследований сверхпроводящих свойств MgB2 приведены в обзорах [12].
Теоретическая квазичастичная плотность состояний у MgB2 имеет две
чётко выраженные щелевые особенности [3], что должно приводить к
появлению на вольтамперных характеристиках (ВАХ) андреевских
микроконтактов типа SnS двух независимых субгармонических щелевых
структур, соответствующих Ар и Ая. Соответственно, на ВАХ туннельных
контактов типа SIS должны существовать две щелевые особенности при
смещениях Vgi = 2A(T/e и Vg2=2AJt/e. Эти предположения подтверждены в
настоящей экспериментальной работе, где проведено сравнительное
экспериментальное исследование сверхпроводящих свойств
поликристаллических образцов MgB2, приготовленных тремя различными методами на химическом факультете МГУ и в Физическом институте РАН.
Полученные в настоящей работе результаты андреевской и туннельной спектроскопии поликристаллических образцов MgB2 могут быть объяснены непротиворечивым образом при следующих предположениях:
диборид магния является двухщелевым сверхпроводником,
благодаря слоистой кристаллической решётке MgB2 в контактах на микротрещине могут возникать стопочные андреевские структуры типа SnS (внутренние многократные андреевские отражения) и стопочные джозефсоновские контакты типа SIS (внутренний эффект Джозефсона),
сильная неоднородность некоторых образцов MgB2 (серия BG) приводит к тому, что критическая температура Тс в контактной области меняется в пределах 20 К < Тс < 39 К; у значительно более однородных образцов (серии KR и ВВ) разброс по Тс в контактной области значительно меньше:
36 К < Tc < 41 К. Разброс по Тс у исследованных образцов был использован для определения связи между критической температурой Тс и большой щелью Аа. 4. На В АХ туннельных и андреевских МВ2-контактов наблюдаются тонкие структуры, связанные с резонансным взаимодействием с леггеттовскими плазменными модами, присущими двухщелевым сверхпроводникам.
Цель работы
Основными задачами настоящей экспериментальной работы являлись: проверка теоретической модели двухщелевой сверхпроводимости диборида магния с помощью андреевской и туннельной спектроскопии, внутренней андреевской и внутренней туннельной спектроскопии (т.е. при помощи типичных для слоистых соединений внутреннего эффекта многократных андреевских отражений и внутреннего эффекта Джозефсона). Определение температурных зависимостей сверхпроводящих щелей Аз и Ал, а также зависимостей Аст)7Г(Тс) у системы Mgi_xAlxB2 (0,15 <х<0,45). Проверка существования в сверхпроводящем MgB2 коллективных плазменных колебаний, предсказанных Леггеттом, методами джозефсоновской спектроскопии (позволяющей возбуждать моды колебаний переменным Джозефсоновским током). Определение энергий таких плазмонов.
Конкретные задачи диссертационной работы включали:
экспериментальную проверку теоретической модели двухщелевой сверхпроводимости диборида магния MgB2;
установление температурных зависимостей сверхпроводящих щелей Ар и Ая у поликристаллических образцов MgB2 и системы Mgi_xAlxB2;
определение характерного напряжения Vc = Ic Rn у джозефсоновских контактов SIS-типа на базе сверхпроводника MgB2;
проверка наличия внутреннего эффекта Джозефсона на В АХ туннельных контактов, образующих стопку в с-направлении;
определение связи между критической температурой Тс и величинами большой и малой сверхпроводящих щелей Ад и Ая у диборида магния с разной степенью дефектности и у системы Mgi_xAlxB2;
поиск тонкой структуры на ВАХ джозефсоновских и андреевских MgB2-контактов, вызванной возбуждением низкочастотных плазменных мод, предсказанных Леггеттом в 1966 году и являющихся следствием флуктуации относительной фазы параметров порядка двух сверхпроводящих конденсатов в MgB2 (а- и л-зоны). Определение энергий таких плазмонов для контактов с различными Тс на базе MgB2 и Mgi_xAlxB2 из экспериментальных данных;
оценка величин перенормированных внутризонных и межзонных констант
ЭЛеКТрОН-фоНОННОГО ВЗаИМОДеЙСТВИЯ ?4j .
Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту
В результате проведенных исследований:
с помощью андреевской и туннельной спектроскопии MgB2 определены температурные зависимости сверхпроводящих щелей Аст и Ак. Обнаружено, что обе щели закрываются при одной критической температуре Тс;
установлено, что в дибориде магния температурная зависимость большой щели АСТ(Т) близка к стандартной БКШ-зависимости. Температурная зависимость малой щели АЛ(Т) не описывается БКШ-моделью, что, по-видимому, является следствием сильного влияния 2D ст-зон на сверхпроводящие свойства 3D 7Г-зон за счёт внутреннего эффекта близости (эффекта близости в к-пространстве);
в работе исследованы особенности ВАХ джозефсоновских контактов на базе двухщелевого сверхпроводника MgB2. Определённая в работе величина характерного напряжения Vc = (4 -т- 6) мВ находится в согласии с теоретическими предсказаниями [13];
в туннельном режиме для MgB2-KOHTaKTOB на микротрещине получены стопочные ВАХ, типичные для внутреннего эффекта Джозефсона, наблюдавшегося ранее только в купратных сверхпроводниках при токе в с-направлении [14]. Обнаружение внутреннего эффекта Джозефсона однозначно указывает на квазидвумерный характер сверхпроводимости в MgB2;
у исследованных образцов обнаружен скейлинг большой щели Аст и критической температуры Тс. Характеристическое отношение 2ka /квТс «6+1 для MgB2 близко по величине к аналогичному отношению у сверхпроводящих купратов. Оценено собственное характеристическое отношение в двумерных а-зонах 2А(Т/квТс(Т = 5,3 ± 1 (где Тса - критическая температура, которой бы обладал а-конденсат, если бы не взаимодействовал с 7Г-конденсатом). Величина 5,3 не может быть объяснена стандартной теорией БКШ;
отношение Асу/Ал меняется в заметных пределах, что, возможно, является следствием зависимости интенсивности межзонного рассеяния от уровня дефектности диборида магния;
в работе впервые получены экспериментальные данные, прямо указывающие на существование низкочастотных леггеттовских плазменных мод в MgB2. На В АХ джозефсоновских и андреевских MgB2-контактов при Т = 4,2 К обнаружена хорошо воспроизводящаяся тонкая структура, которая может быть вызвана взаимодействием с леггеттовскими плазмонами. При Тс =(30-7- 40) К энергия плазмонов El = (4 -г- 5) мэВ и по порядку величин согласуется с теоретическими представлениями [8, 11] во всём интервале Тс, что подтверждает важность межзонного взаимодействия в этом материале;
для сверхпроводящего MgB2 с максимальными Тс при помощи выражения для энергии леггеттовских плазмонов, выведенного в работе [11], были оценены перенормированные внутризонные и межзонные константы электрон-фононного взаимодействия: ?щ«0,34; 2^2*0,20; Хи~ 0,0076; ^21-0,073;
у качественных микроконтактов SnS-типа на базе MgB2 и Mgi_xAlxB2 впервые обнаружен дублетный характер субгармонической щелевой структуры, что может быть следствием существования двух пар близко расположенных щелей, то есть реализации четырёхзонного приближения, предложенного в теоретической работе Чоя и др. [3].
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что они дают существенный вклад в решение вопросов оптимизации сверхпроводящих свойств MgB2 .
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях:
IX Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам (Ломоносов'2002), секция "Фундаментальное материаловедение", Россия, Москва, 9-12 апреля 2002,
The International Workshop "Ab-intro understanding of superconducting and normal state properties of MgB2", Rome, Italy, 2-4 July 2003,
The 7 th International Workshop "High-Temperature Superconductors and Novel Inorganic Materials Engineering" (MSU-HTSC YD), Russia, Moscow, 20-25 June 2004,
Первой международной конференции "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости", Россия, Звенигород, 18-22 октября 2004,
MRS Spring Meeting "Recent Advances in Superconductivity", Symposium HH, San Francisco, California, USA, April 18-21,2006,
34OM Совещании по физике низких температур (HT-34), Россия, Ростов-на-Дону, 26-30 сентября 2006,
The 10 International Meeting on "Order, Disorder and Properties of Oxides" (ODPO-10), Россия, г. Ростов-на-Дону, 12-17 сентября 2007,
The 7th International Conference "Magnetic and Superconducting Materials" (MSM07), Khorezm Mamun Academy of Sciences, Khiva, Uzbekistan, 25-30 September 2007,
Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных по фундаментальным наукам "Ломоносов-2010", секция "Физика", Россия, Москва, апрель 2010.
Taiwan-Russia Joint Symposium "Magnetism, Superconductivity, and the Electronic Structure in Low-Dimensional Systems", Taiwan, 8-11 October, 2010.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ и 8 тезисов, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объём диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов и списка литературы. Первая глава содержит краткий литературный обзор по теме исследования, вторая глава - описание экспериментальной установки и метода приготовления контактов на микротрещине ("break-junction") в сверхпроводниковых образцах. Каждая из следующих двух глав содержит оригинальные результаты, полученные автором. Объём диссертации 188 страниц, включая 74 рисунка, 1 таблицу, оглавление и список литературы из 132 наименований.
