Введение к работе
Актуальность темы. Исследования сверхпроводимости продолжают оставаться в числе наиболее актуальных областей современной физики конденсированного состояния. Это во многом связано с открытием в 1986 году замечательного явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в соединениях медных оксидов (купра- тах). Несмотря на большие усилия как экспериментаторов, так и теоретиков, природа этого явления остается не вполне выясненной.
Главной проблемой остается последовательное теоретическое описание свойств нормального состояния, что требует выяснение природы так называемого псевдощелевого состояния, наблюдающегося в области фазовой диаграммы, соответствующей концентрациям носителей заряда меньше оптимальной, которую обычно называют областью " недодопированных составов. В этой области в целом ряде экспериментов наблюдаются многочисленные аномалии электронных свойств как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии, связанные с падением плотности одночастич- ных возбуждений и анизотропной перестройкой спектральной плотности носителей заряда. Сложилось и продолжает укрепляться мнение, что без понимания природы и свойств псевдощелевого состояния невозможно найти подход к описанию сложной фазовой диаграммы ВТСП купратов и вряд-ли можно надеяться на установление микроскопического механизма высокотемпературной сверхпроводимости. С другой стороны, псевдощелевое состояние не является специфической особенностью только купратов. По -видимому псевдощель наблюдаются также в новых ВТСП на основе железа. Существенные псевдощелевые аномалии обнаружены также в дихалькоге- нидах ряда переходных металлов (TaSe2, NbSe2, ).
В ВТСП -системах наблюдается сильная анизотропия всех свойств (квазидвумер- ность). Роль квазидвумерности в реализации высокотемпературной сверхпроводимости в этих системах до сих пор остается не вполне выясненной, однако очевидно, что она может приводить к заметному расширению флуктуационной области различных фаз на фазовой диаграмме, способствуя формированию псевдощелевого состояния.
"Родительские" стехиометрические соединения купратов является антиферромагнитными диэлектриками с хорошо определенной оптической щелью и антиферромагнетизмом, обусловленным упорядочением локализованных спинов на медных ионах, с температурой Нееля сотни градусов K. Такое диэлектрическое состояние быстро разрушается введением небольшого числа легирующих примесей. Таким образом, эти системы можно отнести в разряд легированных моттовских диэлектриков с сильными электронными корреляциями, которые сильно усложняют проблему описания нормального состояния, делая сомнительной стандартную зонную теорию и ферми- жидкостный подход. Описание псевдощелевого состояния на фоне таких сильных
электронных корреляций представляет достаточно сложную проблему.
Структурная и химическая неоднородность ВТСП- систем делает их существенно неупорядоченными. Поэтому встает вопрос о влиянии беспорядка, в том числе и сильного (локализации) на электронные свойства этих сильно коррелированных систем с пониженной размерностью. Описание андерсоновской локализации на фоне сильных электронных корреляций до сих пор остается не до конца решенной теоретической проблемой. Внутренняя неупорядоченность купратов ярко проявляется в данных сканирующей туннельной микроскопии (STM), ясно свидетельствующих о неоднородности локальной плотности электронных состояний и сверхпроводящей щели на микроскопических масштабах даже в практически идеальных монокристаллах ВТСП - купратов. Теоретическое описание таких неоднородностей представляет исключительно сложную задачу.
Все эти три аспекта (^исєвдощєлєвоє состояние^ сильные электронные корреляции^ существенная внутренняя неупорядоченность), характеризующие купраты, в той или иной мере затронуты в диссертации, что и определяет актуальность ее темы.
Цель работы состоит в теоретическом исследовании псевдощелевого состояния в рамках двумерных моделей и разработке практических методов расчета физических свойств сверхпроводников в таком состоянии (в том числе и в условиях сильных электронных корреляций и сильного беспорядка) как в нормальной, так и сверхпроводящей фазе.
Научная новизна.
Предложена новая, основанная на представлении о "горячих точках" на поверхности Ферми, двумерная модель псевдощелевого состояния, вызываемого флуктуациями ближнего порядка с конечной корреляционной длиной, в которой можно просуммировать все фейнмановские диаграммы теории возмущений по взаимодействию с псевдощелевыми флуктуациями, что позволило получить рекуррентное уравнение для функции Грина и исследовать поведение одно- электронной плотности состояний и спектральной плотности.
ми ближнего порядка с конечной корреляционной длиной, впервые исследовано влияние псевдощели на свойства сверхпроводящей фазы:
Впервые, в таких моделях псевдощели, проведен микроскопический вывод разложения Гинзбурга-Ландау, построена система рекуррентных уравнений Горь- кова для куперовского спаривания s- и d-типа и изучено влияние псевдощели на температуру сверхпроводящего перехода, на основные свойства сверхпроводника вблизи Tc и на температурное поведение сверхпроводящей щели. Впервые выявлены два возможных типа взаимодеиствия сверхпроводящего параметра порядка с псевдощелевыми флуктуациями, п р и водящих к существенно различным энергетическим масштабам подавления сверхпроводимости псевдощелью.
В рамках наиболее "реалистичной" модели псевдощели с "горячими точками" на поверхности Ферми впервые исследовано влияние немагнитных примесей на сверхпроводимость в псевдощелевом состоянии и проведено полуколичественное моделирование фазовой диаграммы ВТСП-купратов.
В рамках двух точно решаемых моделей псевдощели впервые удалось точно исследовать эффекты несамоусредняемости сверхпроводящего параметра порядка в гауссовом случайном поле псевдощелевых флуктуаций и проанализировать поведение усредненной по этому полю сверхпроводящей щели и ее флуктуаций, а также сверхпроводящих особенностей в плотности состояний и спектральной плотности квазичастиц, которые демонстрируют существование сверхпроводимости (по-видимому, в отдельных областях -"каплях") и в области температур выше среднеполевой температуры Tc однородного сверхпроводящего перехода во всем образце.
Предложено новое обобщение DMFT+S теории динамического среднего поля ( DMKT ), позволяющее рассматривать нелокальные корреляции (в принципе любого типа), оставаясь в рамках однопримесной картины DMFT и сохраняя неизменной самосогласованную систему ее уравнений, что позволило провести широкое исследование одночастичных электронных свойств сильно коррелированных систем в псевдощелевом состоянии.
Обобщенный DMFT+S подход развит для анализа двухчастичных свойств, что позволило впервые исследовать продольную оптическую проводимость сильно коррелированных систем в псевдощелевом состоянии.
шения поверхности
Ферми псевдощелевыми флуктуациями, в том числе и в условиях сильных электронных корреляций. Впервые предложена точно решаемая модель псевдощели, способная описать плавный переход от картины "дуг Ферми" при высоких температурах (типичных для большинства ARPES экспериментов) к малым "карманам" поверхности Ферми (наблюдаемым в экспериментах по магнитным квантовым осцилляциям) при низких температурах, и предложен качественный критерий наблюдаемости магнитных осцилляций в псевдощелевом состоянии.
Предложена новая комбинированная расчетная схема LDA+DMFT+S, позволившая ввести нелокальные псевдо щелевые
флуктуации в первопринципныи
подход LDA+DMFT, что позволило рассмотреть электронную структуру ряда составов ВТСП купратов в псевдощелевом состоянии и провести детальное сравнение с экспериментом.
Предложена новая простая аналитическая модель многозонного электронного спектра вблизи уровня Ферми ДЛЯ новых ВТСП на основе железа, в рамках которой вперые теоретически исследовано влияние антиферромагнитных флуктуации ближнего порядка и продемонстрировано возможное псевдощелевое поведение, связанное с частичным "разрушением"поверхности Ферми и перестройкой квазичастичных зон.
DMFT+S подход развит для исследования сильно неупорядоченной модели Хаббарда (модели Андерсона - Хаббарда), что позволило наряду с анализом одночастичных свойств, впервые провести исследование оптической проводимости в такой модели и построить фазовую диаграмму модели Андерсона - Хаббарда.
ванными электронами проводимости и решеткой с дебаевскими или эйнштейновскими фононами, что позволило впервые проанализировать взаимовлияние недавно открытых "кинков" чисто электронной природы и обычных фононных "кинков"в электронном спектре.
Практическая ценность. Псевдощелевое состояние приводит к ряду MilOMMJI и и физических свойств, наблюдаемых экспериментально во всех высокотемпературных сверхпроводниках на основе оксидов меди в области недодопированных составов. Рассмотренные в диссертации модели и расчетные схемы позволяют получить качественное, а в отдельных случаях и полу количественное согласие с экспериментальными данными. Понимание природы и свойств псевдощелевого состояния позволяет глубже продвинуться в понимании проблем описания сложной фазовой диаграммы ВТСП оксидов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
Новая, основанная на представлении о "горячих точках" на поверхности Ферми, двумерная модель псевдощелевого состояния, вызываемого флуктуациями ближнего порядка с конечной корреляционной длиной. Рекуррентное уравнение для одноэлектронной функции Грина и результаты для плотности состояний и спектральной плотности, полученные в такой модели.
-
Система рекуррентных уравнений Горькова и микроскопический вывод разложения Гинзбурга-Ландау для куперовского спаривания s- и d-типа, полученные в двух моделях ("горячих точек" и "горячих участков" на поверхности Ферми) псевдощелевого состояния. Результаты по влиянию псевдогцели на температуру сверхпроводящего перехода, на основные свойства сверхпроводника вблизи Tc и на температурное поведение сверхпроводящей щели, а так же результаты по влиянию немагнитных примесей на сверхпроводимость в псевдощелевом состоянии и моделированию фазовой диаграммы ВТСП-купратов, полученные в таких моделях.
-
Результаты для усредненной по полю псевдо щелевых флуктуаций сверхпроводящей щели j ее флуктуаций и сверхпроводящих особенностей в плотности состояний и спектральной плотности, полученные в двух точно решаемых моделях псевдощели и демонстрирующие существование сверхпроводимости (в отдельных областях - "каплях") и в области температур выше среднеполевой температуры Tc однородного сверхпроводящего перехода во всем образце, и вывод об отсутствии полной самоусредняемости сверхпроводящего параметра порядка в псевдощелевом состоянии.
-
Новое обобщение DMFT+S теории динамического среднего поля (DMFT), позволяющее включать нелокальные корреляции или дополнительные ( по отношению к хаббардовскому) взаимодействия (в принципе любого типа), оставаясь в рамках однопримесной картины DMFT и сохраняя неизменной самосогласованную систему ее уравнений.
Результаты для одночастпчных электронных свойств (плотность состоянии, спектральная плотность, ARPES спектры j эффективная картина "разрушения" поверхности Ферми псевдощелью) сильно коррелированных систем в псевдощелевом состоянии, полученные в обобщенном DMFT+S подходе.
-
-
-
Вывод о возможности в рамках точно решаемой модели псевдощели описать плавный переход от картины "дуг Ферми" при высоких температурах (типичных для большинства ARPES экспериментов) к малым "карманам" поверхности Ферми (наблюдаемым в экспериментах по магнитным квантовым осцилляциям) при низких температурах и качественный критерий наблюдаемости магнитных осцилляций в псевдощелевом состоянии.
-
Общая схема исследования двухчастичных электронных свойств в DMFT+S подходе и результаты для продольной оптической проводимости сильно коррелированных систем в псевдощелевом состоянии, полученные в таком подходе.
S позволяющая вве~
сти нелокальные псевдо щелевые флуктуации в первопринципный подход LDA+
DMFT, и результаты для электронных свойств (плотность состояний, спектральная плотность, квазичастичные зоны и затухание, карта поверхности Ферми, оптическая проводимость) в их сравнении с экспериментом для ряда ВТСП купратов (Bi2Sr2CaCu2O8-^, Ьа2_ж8гжСи04, Ш2-жСежСи04, Рг2-жСежСи04) в псевдощелевом состоянии.
9. Простая аналитическая модель многозонного электронного спектра вблизи уровня Ферми для новых ВТСП на основе железа и результаты для квазичастичных зон и карт поверхностей Ферми в условиях антиферромагнитного рассеяния как в случае дальнего порядка в стехиометрическом случае, так и в области возможных флуктуаций антиферромагнитного ближнего порядка в допированных составах.
-
-
-
-
Общая схема DMFT+E подхода для исследования модели Андерсона-Хаббарда (сильные корреляции учитываются с помощью DMFT, <3. сильныи беспорядок - путем подходящего обобщения самосогласованной теории локализации) и результаты для плотности состояний, оптической проводимости, радиуса локализации и фазовой диаграммы трехмерной и двумерной сильно коррелированной и сильно неупорядоченной парамагнитной модели Андерсона-Хаббарда в таком подходе. Вывод о возможности восстановления металлического состояния из диэлектрика Mo rra Хаббарда с ростом беспорядка. Вывод о возможность су- ЩЄСТВОВсШИЯ эффективного андерсоновского перехода металл-диэлектрик для конечных двумерных систем.
-
Вывод о том, что общее однозонное правило сумм Кубо выполняется в DMFT+ E подходе (как в модели "горячих точек" для псевдощелевого состояния, так и модели Андерсона Хаббарда). однако сам оптический интеграл в общем случае зависит от температуры и характерных параметров моделей, таких как ширина псевдощели, корреляционная длина, примесное рассеяние, приводя к эффективному "нарушению" оптического правила сумм, и результаты для таких зависимостей оптического интеграла.
-
Результаты для плотности состояний и переломов ("кинков") в энергетической
ствием между сильно коррелированными электронами проводимости и решеткой с дебаевскими или эйнштейновскими фононами.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международных школах-симпозиумах физиков-теоретиков "Коуровка" (Кунгур, 2002 г.; Челябинск, 2004 г.; Челябинск, 2006 г.; Новоуральск, 2008; Новоуральск, 2010), на
33-м всероссийском совещании по физике низких температур НТ-33 (Екатеринбург, 2003 г.), на VII и VIII школе-семинаре молодых ученых "Проблемы физики твердого тела и высоких давлений" (Сочи, 2002 г., 2004 г.), на международных конференциях "Materials and Mechanisms of Superconductivity High Temperature Superconductors" M2S - HTSCVI (Хьюстон, США, 2000 г.), M2S - HTSCVIII (Дрезден, Германия, 2006 г.); на международных конференциях "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" ФПС'04 (Звенигород, 2004 г.), ФПС'06 (Звенигород, 2006 г.), ФПС'08 (Звенигород, 2008 г.); на международнных конференциях "Spectroscopies in Novel Superconductors" SNS2004 (Sitges, Испания, 2004 г.), SNS2007 (Sendai, Япония, 2007 г.), SNS2010 (Шанхай, Китай, 2010 г.); на международных конференциях "Gordon Research Conferences"GEC'01 (Оксфорд, Великобритания, 2001 г.), GRC'O I (Оксфорд, 2004 г.), GRC'07 (Les Diablerets, Швейцария, 2007 г.).
Личный вклад автора. Автор лично принимал участие в постановке всех задач, отраженных в диссертации, разработке моделей и методов их решения , анализе и интерпретации полученных результатов. Основная часть аналитических вычислений, а также разработка и тестирование основной части расчетных программ выполнены лично автором или при его непосредственном участии.
Основная часть результатов диссертации получена совместно с М.В.Садовским. Часть результатов Глав 4 и 6 получена при участии Н.А.Кулеевой (Стригиной). Часть результатов Глав 5 и 6 получена совместно с И.А.Некрасовым. Часть результатов раздела 5.5 получены с участием З.В.Пчелкиной, Е.Е.Кокориной, Н.С.Павлова, а также в сотрудничестве с экспериментальными группами Institute for Solid State Research, Dresden, Germany и Graduate School of Engineering Science, Osaka University, Japan.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 30 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения ^ пяти глав, заключения и тринадцати приложений. Она изложена на 442 страницах, включая 173 рисунка и список литературы из 312 наименований.
Похожие диссертации на Электронные свойства неупорядоченных и низкоразмерных систем в псевдощелевом состоянии
-
-
-
-
-
-
