Динамические и упругие свойства медь-кислородных керамик в рамках оболочечной модели и модели ян-теллеровских центров Ковалев, Олег Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы. Уже более десятилетия экспериментальное и теоретическое исследование высокотемпературной сверхпроводимости остается центральной темой физики твердого тела. В настоящее время благодаря активным исследованиям, в которых принимают участие физики, химики и материаловеды, удалось получить высококачественные образцы высокотемпературных оксидных сверхпроводников и исследовать их основные физические свойства. Как показали исследования, эти соединения обладают целым рядом необычных свойств, обусловленных сложным взаимодействием электронных, спиновых и решеточных степеней свободы, что требует привлечения разнообразных экспериментальных методик. Несмотря на существенный прогресс в методах получения образцов ВТСП и на использование всего арсенала современных методов теории многочастичных систем, в настоящий момент не существует микроскопической теории, дающей последовательное описание фазовой диаграммы высокотемпературных сверхпроводников; неизвестен физический механизм сверхпроводимости, хотя его знание очень важно и для теории, и для практики, так как позволит более целенаправленно вести поиски и синтез новых сверхпроводящих соединений с более высокими температурами перехода.

В надежде обнаружить определенный вклад фононов в образование конденсата куперовских пар существует значительный интерес к исследованию динамики решетки ВТСП. Фононы высокотемпературных соединений интенсивно изучались с помощью оптических методов: рамановского рассеяния и инфракрасного поглощения, тем более, что за последние годы был достигну! офомный прогресс « синтезе достаточно большого количества высококачественных сверхпроводящих монокристаллов, что стимулировало появление целого рада экспериментальных работ, прежде всего по неупругому рассеянию нейтронов на фононах, результаты которых до сих пор не нашли удовлетворительного теоретического объяснения. Данные этих исследований часто преподносятся как проявление различных эффектов, поэтому остро встает вопрос об объяснении этих явлений в рамках единой физической кон-

цегщии. Особая роль нейтронных экспериментов и их интерпретации подчеркивается тем обстоятельством, что именно неупругое рассеяние нейтронов с момента открытия ВТСП считается ключевым в выяснении природы ВТСП.

В таких соединениях как ВТСП, теоретическое и экспериментальное описание динамических свойств кристаллов наталкивается на серьезные трудности. Сложность экспериментального исследования связана с большой трудоемкостью выполнения таких работ, а также с высокой стоимостью нейтронных измерений, дающих наиболее полное описание. Трудности теоретического описания и расчета упругих и динамических свойств ВТСП связань: с относительно низкой симметрией решетки и большим числом атомов і элементарной ячейке. Теоретические расчеты в подавляющем большинстве основываются на различных модельных представлениях, таких, как моделі жестких ионов, простая оболочечная модель и различные более сложные варианты последней. К сожалению, простые модели не всегда удовлетвори' тельно описывают реальную физическую картину, а сложные модели содер' жат много подгоночных параметров, что делает задачу трудно разрешимой t смысле корректного определения физически разумных величин введенные параметров.

Целью настоящей работы являлось:

1. Определение характера распределения зарядов атомов в решетке і модели полярных ЯТ-центров и интерпретация экспериментальных данньи исследования ГЭП на ядрах меди и аномальной концентрационной зависи мости ромбических параметров кристаллического поля в купрата: RBa₂Cu₃0_6+s.

2. Теоретическое описание упругих свойств ВТСП-систем 123 и 214 рамках модели жестких ионов и оболочечной модели, количественный расче таких характеристик ВТСП как упругие постоянные, дисперсионные фоног ные кривые, диэлектрическая проницаемость, скорость звука в кристалла; однофононная плотность состояний и оценка вклада скрытых смещений упругие константы.

Важным элементом работы являлся выбор модели и определение ее параметров, которые удовлетворительно описывали бы не только фононньш спектр, но и упругие свойства купратов при соблюдении условия устойчивости решетки и отсутствия внутренних напряжений.

3. В рамках псевдосгшнового подхода анализ особенностей проявления ян-теллеровской природы полярных центров в динамике медных оксидов, объяснение ряда фононных аномалий в неупругом рассеянии нейтронов в системах La₂._xSr_xCu04 и YBa2Cu₃CW

Научная новизна работы состоит в следующем;

3. Впервые указано на появление сильной зарядовой неэквивалентности ионов кислорода в R123 системах как проявление псевдо-эффекта Яна-Тсллера и на этой основе дано объяснение ряда особенностей ГЭП на ядрах меди и поведения ромбических параметров КП для R-ионов.

4. Впервые в модели псевдоспин-фононных резонансов дано качественное и количественное объяснение ряда фононных аномалий, обнаруживаемых в неупругом рассеянии нейтронов и проявляющихся в виде аномального уширения, смещения мод и даже их исчезновения в несимметричных точках Бриллюэна.

5. Впервые реализован вариант оболочечной модели купратов, позволяющей в рамках единого набора физически обоснованных параметров дать количественное описание широкого набора статических и динамических свойств.

Практическая значимость работы:

6. Результаты расчетов расширяют и углубляют представление о природе формирования динамических и упругих свойств многоподрешеточ-ных кристаллов.

7. Результаты работы подтверждают широкие возможности модели полярных ЯТ-центров в объяснении конкретных физических свойств медь-кислородных ВТСП и расширяют наши представления о механизмах формирования ВТСП.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Результаты исследования характера распределения зарядов атомов
в решетке и расчета параметров кристаллического поля в рамках модели
полярных ян-теллеровских центров и полуэмпирической модели точечных
зарядов.

2. Результаты расчета фононных и упругих свойств медь-кислородных ВТСП в рамках оболочечной модели и модели жестких ионов.

3. Модель псевдоспин-фононных резонансов, учитывающая ян-теллеровскую природу основного состояния полярных центров и позволяющая объяснить ряд аномалий фононного неупругого рассеяния нейтронов.

Апробация работы.

Основные положения диссертации и ее результаты обсуждены на ряде российских и международных конференций, в том числе

1) XXVI Всероссийской зимней школе физиков-теоретиков
"Коуровка", 2-7 февраля 1996 г., г. Ижевск;

2. Международной конференции по высокотемпературной сверхпроводимости M²S-HTSC V, 28 февраля — 4 марта 1997 г., г. Пекин, Китай.

3. Всероссийской научно-практической конференции «Оксиды. Физико-химические свойства и технология.», 27-31 января 1998 г., г.Екатеринбург, Россия.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического списка из 122 наименований. Она изложена на 138 страницах, включая 20 рисунков и 41 таблицу.