Фононы в высокотемпературных сверхпроводниках Лимонов, Михаил Феликсович

Введение к работе

Актуальность темы исследования

1986 год вошел в историю физики как год открытия высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Сотрудники лаборатории IBM (Цюрих, Швейцария) КАМюллер и Й.Г.Беднорц сообщили о наблюдении перехода в сверхпроводящее состояние в перовскито-подобном соединении La-Sr-Cu-О с критической температурой Т_с = 36К [1л]. Прошло более 10 лет. За эти годы в исследовании проблемы ВТСП был достигнут значительный прогресс, синтезированы новые классы сверхпроводящих перовскито-подобных соединений, критическая температура Т_с превзошла рубеж 100К. Интерес к этой тематике не ослабевает, что наглядно продемонстрировала M²S-HTSC-V конференция (Пекин, 1997) собравшая около 2000 участников. Однако ответ на основной вопрос - "Каков же механизм ВТСП ?" - по-прежнему не найден.

На участие фононов в формировании высокотемпературной сверхпроводимости указывает ряд экспериментальных фактов (например, ненулевой изотопический эффект), и все же роль фононов механизме ВТСП еще не определена.

Другим новым классом соединений, обладающих относительно высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние (Т_с.та« ~ 40 К [2л]), являются фуллерены. Фуллерены, так же как и перовскито-подобные сверхпроводники, были открыты в середине 80-х годов. К настоящему времени синтезировано множество фуллереносодержащих соединений, подробно исследованы две наиболее распространенные фуллереновые матрицы - Сет и С70, а также сверхпроводящие металлофуллерены СєоМ_х на их основе. Эти соединения обладают металлической проводимостью. В то же время вопрос о существовании проводящих и сверхпроводящих фуллеренов с дырочным типом проводимости (который характерен для большинства перовскито-подобных сверхпроводников) пока остается открытым. Одним из возможных направлений поиска таких соединений является синтез и исследование галогено-фуллеренов с альтернативным к металлофуллеренам типом допирования.

Исследованию фононов в перовскито-подобных сверхпроводниках, фуллеренах и галогено-фуллеренах и посвящена настоящая работа.

6 Цель настоящей работы

Все основные перовскито-подобные высокотемпературные сверхпроводники имеют ярко выраженную слоистую структуру, которая существенным образом определяет их физические свойства. Ранее был установлен квазидвумерный характер электронной подсистемы ВТСП-соединений, связанный с пространственным разделением «проводящих» слоев Си0₂ наборами «изолирующих» слоев. В то же время влияние слоевого строения ВТСП на фононную подсистему практически не анализировалось. Поэтому основными задачами данной работы являлись:

поиск и исследование особенностей фононной подсистемы ВТСП-соединений, обусловленных их слоистым строением;

построение модели, в рамках которой были бы описаны основные динамические свойства кристаллических решеток ВТСП;

анализ роли фононов в механизме высокотемпературной сверхпроводимости.

Кроме того, было выполнено спектроскопическое исследование колебательных и электронных состояний фуллеренов с альтернативным к металлическому - галогенным допированием для определения природы химический связи и особенностей электрон-фононного взаимодействия в этих соединениях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

A. В работе обнаружены новые эффекты, наиболее важными из которых
являются:

Индуцированная сверхпроводимостью х-у анизотропия комбинационного рассеяния света в кристаллах YBa₂Cu₃07 и ее зависимость от уровня легирования (содержания кислорода);

Резонансное комбинационное рассеяние света в фуллеренах СбоС^.

B. Впервые исследованы и интерпретированы колебательные спектры
соединения, близкого по составу к неизвестной ранее структуре (2137).

C. Для однозначной интерпретации колебательных спектров висмутовых
сверхпроводников был впервые исследован уникальный ряд ВІ-содержащи>
структур, образующихся последовательным добавлением новых слоев, либс
заменой одного из слоев: (Bi,Ca)0₆ => (Bi,Sr)0₅ => Bii^Sri-yCa^Oi => Bi₂Sr₂Cu0₆ =>
BijSrjCaCibOe => ВігБГгСагСизОю => Bi4SuCaCu₃0,₄.

D. В работе использовался комплексный подход к анализу фононны>
спектров высокотемпературных сверхпроводников в основе которого

сопоставление результатов трех взаимодополняющих методик: (а) симметрийного анализа, (Ь) расчета динамических свойств кристаллических решеток, (с) экспериментального исследования колебательных спектров. В результате впервые был сделан вывод о квазидвумерном характере фононной подсистемы ВТСП. В рамках такого подхода удалось успешно объяснить не только результаты, полученные автором, но и целый комплекс известных из литературы результатов акустических, оптических и нейтронных экспериментов.

Е. Впервые проведен анализ эффектов, наблюдаемых при Т < Т_с в спектрах комбинационного рассеяния (СКР) света YBa₂Cu₃07-x с учетом различной теоретически возможной симметрии сверхпроводящей щели. Сделан вывод о том, что сверхпроводящая щепь в орторомбических кристаллах YBa₂Cu₃07.« имеет симметрию d+s с преобладающим вкладом d-компоненты.

Практическое значение диссертационной работы состоит в том, что полученные результаты важны для:

- установления механизма высокотемпературной сверхпроводимости и общих
закономерностей образования сверхпроводящего состояния в твердом теле;

выяснения роли размерности сверхпроводящих объектов, т.е. вкладов :лоистых (двухмерных), цепочечных (одномерных) и квазимолекулярных (условно нольмерных) структурных элементов в механизм сверхпроводимости в трехмерном кристалле;

понимания процессов электрон-фононного взаимодействия в перовскито-тодобных соединениях и фуллеренах, выяснения его роли в механизме ;верхпроводимости и определении величины критической температуры Т_с;

- поиска новых соединений с более высокими критическими температурами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Фононная подсистема перовскито-подобных высокотемпературных ;верхпроводников имеет квазидвумерный характер. В центре зоны Бриллюэна юлебания разделяются на акустические Г,_с, межслоевые оптические r_int„i и шутрислоевые оптические Г_тЫ:

Г = ЗГ_ас + 3(N_L-1) Г,„,_ег| + 3(N_A-N_L) Г_и,_а,, де N_L- число слоев, a N_A - число атомов в примитивной ячейке. Межслоевые іптические колебания соответствуют смещениям слоев как целого друг ітносительно друга и обладают существенной дисперсией по всем направлениям оны Бриллюэна. Внутрислоевые оптические колебания определяются

смещениями атомов, принадлежащих одному и тому же слою, и характеризуются слабой дисперсией вдоль направления Г -» Z.

2. При изменении состава соединений (123) их колебательные спектры меняются по единому закону, в СКР наблюдается смягчение одних колебаний и ужесточение других, что обусловлено "волнообразным" характером перестройки кристаллической решетки (123). Атомы кислорода, расположенные в различных слоях этой решетки, выполняют роль своеобразных зондов, попадая как в области "сжатия", так и в области "растяжения" и отражая эти структурные эффекты в СКР.

3. Динамические свойства кристаллических решеток (123) описываются в рамках приближения валентно-силового поля. С использованием ограниченного числа подгоночных параметров воспроизводится весь комплекс известных динамических свойств соединений (123), включая детальные сведения об оптических колебаниях и дисперсии фононных ветвей по зоне Бриллюзна, зависимости частот от состава, макроскопические упругие характеристики и микроскопическое поведение структуры при гидростатическом сжатии.

4. При последовательном добавлении слоев в ряду висмутовых структур:

(Bi,Ca)0₆ => (Bi.Sr)Os => Bi,._x(Sri._yCa_y)_x0₈ => Bi₂Sr₂Cu0₆ =>

=> Bi₂Sr₂CaCu₂0₈ => Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃Oi₀ => B'uS^CaCuaO»

колебательные спектры демонстрируют аддитивный характер, а высокочастотные

Ад колебания являются характеристическими, т.е. определяются в первую очередь

внутрислоевыми параметрами.

5. Переход в сверхпроводящее состояние в кристаллах YBa₂Cu₃07
непосредственно отражается на температурном поведении всех пяти Ад
колебаний: три колебания с энергией hv<2A(0) смягчаются, а два колебания с
энергией hv>2A(0) ужесточаются. При температуре Т*, определяемой резонансом
hv = 2Д(Т*), наблюдается уширение и скачкообразное смягчение линии 340 см'¹.

6. В кристаллах УВа₂Сиз07 возникает индуцированная сверхпроводимостью х-у-анизотропия электронного рассеяния света, которая проявляется в различном температурном поведении линии 340 см"¹ в хх- и уу-поляризациях. Эффект может быть объяснен разницей в величине сверхпроводящей щели д(0) по направлениям к_х и к_у в зоне Бриллюзна Д„(0) * Д_у(0), что соответствует случаю d+s симметрии сверхпроводящей щели.

7. Галогено-фуллерены разделяются на два класса. Допированные иодом соединения СбоЬ-х, Сгоіг имеют кваэимолекулярную структуру и характеризуются слабым (Ван-дер-Ваальсовым) взаимодействием молекул l₂ и молекул Са>, С₇о Соединения СбоВг₂₄, С_ЮС1₂4 и CzoClu обладают ковалентными связями С-Br и C-CI.

8. Комбинационное рассеяние света в галогено-фуллерене СюСІг* носит резонансный характер. Эффект связан со взаимодействием фононных мод с электронным уровнем 2.33 зВ молекулы СюС^. Наблюдается яркая резонансная зависимость интенсивности фононных линий в СКР, а также повторение колебательного и люминесцентного спектра на частоте наиболее высокочастотного СКР - активного колебания Д=1508 см''.

Публикации.