Введение к работе
Актуальность темы.
Проблема высокотемпературной сверхпроводимости стала особенно актуальной после открытия в 1986 году сверхпроводимости купратных соединений. К настоящему времени, несмотря на беспрецедентные усилия научного сообщества, общепринятая точка зрения на сверхпроводимость купратов и их необычные свойства в нормальном состоянии отсутствует.
Одной из важнейших задач физики купратов является выяснение механизма сверхпроводящего спаривания [2] Традиционная схема БКШ с электрон-фононным взаимодействием (ЭФВ) в основе спаривающего потенциала не в состоянии описывать ряд необычных свойств купратов, включая необычную симметрию параметра порядка, аномальный изотопический эффект на температуре переходе и на ло-доновской глубине проникновения и многие другие [3,5]
Общепринятым можно считать отнесение купратов к классу сильно коррелированных квазидвумерных электронных систем [1] В связи с этим экранированное кулоновское отталкивание играет особую роль и, наряду с другими взаимодействиями между электронами (например, через обмен фононами или антиферромагнитными магнона-ми), определяет эффективность сверхпроводящего спаривания В частности, экранированное кулоновское отталкивание может оказаться доминирующим каналом спаривания Несмотря на то, что сверхпроводимость при отталкивании известна давно, роль отталкивательного взаимодействия в сверхпроводимости купратов исследована недостаточно, а выводы, вытекающие из приближенных или численных решений в рамках модели Хаббарда и родственных ей моделей (например, t-J модели) [1], являются спорными и противоречивыми Особенности электронного строения купратов, в частности, сильная анизотропия зоны проводимости и достаточно ярко выраженный нестинг поверхности Ферми [7], едва ли могут быть адекватным образом вписаны в рамки таких моделей, поэтому зонная схема представляется той альтернативой, которая соответствует приближенному подходу к описанию реальных купратов со стороны слабых корреляций
Другой, не менее интересной и уникальной по сравнению со сверхпроводимостью, является проблема псевдощели [1,7], проявляющейся в нормальном состоянии слабо допированных соединений с дырочным типом проводимости Считается, что решение этой проблемы может стать ключом к пониманию микроскопического механизма сверхпроводимости купратов В данный момент времени существуют, как минимум, две противоречащие друг другу точки зрения на природу псевдощели. Считается, что формированию псевдощели соответствует существование выше температуры сверхпроводящего перехода неконденсированных, но уже сформированных куперовских пар. В то же время, предполагается, что псевдощель является самостоятельным упорядоченным состоянием, конкурирующим или сосуществующим со сверхпроводимостью, в частности, диэлектрическое состояние псевдощели рассматривается как волна плотности заряда или волна плотности зарядовых орбитальных токов
Концепция сверхпроводящего спаривания с большим суммарным импульсом пары при экранированном кулоновском отталкивании [2] отражает основные черты поведения купратов в сверхпроводящем и нормальном состояниях Наличие достаточно малой, но конечной области кинематического ограничения при импульсе пары порядка удвоенного фермиевского импульса с необходимостью приводит к тому, что ядро оператора спаривающего кулоновского взаимодействия имеет отрицательное собственное значение, что является одним из условий возникновения связанного состояния относительного движения пары. Симметрия сверхпроводящего параметра порядка, имеющего линию нулей в области кинематического ограничения, естественным образом оказывается связанной с кристаллической симметрией купратной плоскости
Кроме того, спаривающее кулоновское отталкивание при конкуренции с другими механизмами приводит к весьма своеобразному поведению изотопического эффекта [3], показатель которого изменяется в достаточно широком интервале значений, от отрицательных до стандартного для фононного механизма сверхпроводимости значения 0 5, иногда даже превышая это значение [3] Аномальное поведение многих термодинамических величин [5] связано с малой плотностью сверхтекучего конденсата, что является естественным следствием сверхпроводящего спаривания с большим импульсом пар
Диссертация посвящена исследованию конкуренции и сосуществования канала сверхпроводящего спаривания с большим импульсом пар с другими каналами спаривания (куперовским и диэлектрическим) при конкуренции электронного и электрон-фононного механизмов спаривания.
Цель работы.
Развитие концепции сверхпроводящего спаривания с большим импульсом пары при отталкивании в квазидвумерной электронной системе, включающее исследование 1) синглетного сверхпроводящего спаривания с большим суммарным импульсом пары при спаривающем взаимодействии, включающем экранированное кулоновское отталкивание и притяжение из-за обмена фононами, 2) изотопического эффекта на температуре сверхпроводящего перехода и лондоновской глубине проникновения, 3) конкуренции и сосуществования соизмеримых и несоизмеримых диэлектрических и сверхпроводящих упорядоченных состояний в квазидвумерной электронной системе при доминирующем спаривающем отталкивании Анализ экспериментальных данных для купратных сверхпроводников в рамках концепции сверхпроводящего спаривания с большим импульсом при экранированном кулоновском отталкивании.
Научная новизна.
Все результаты, представленные в диссертации, являются новыми Впервые показано, что при спаривающем отталкивании, включающем притяжение, обусловленное фононами, возникает дважды упорядоченное состояние сосуществующих сверхпроводящих конденсатов пар с большим и нулевым импульсами Показано, что температура сверхпроводящего перехода связана с конденсацией пар с большим импульсом, тогда как конденсация пар с нулевым импульсом происходит при более низкой температуре, определяющей кроссовер между состояниями с существенно различающимися значениями сверхтекучей плотности Выполнен анализ симметрии параметра порядка дважды упорядоченного сверхпроводящего состояния, показано, что при спаривающем отталкивании помимо нулей параметра порядка, связанных с симметрией по отношению к поворотам в импульсном
пространстве, возникают дополнительные нули, обусловленные внутренней симметрией спаривающего взаимодействия. Рассчитан двух-щелевой спектр квазичастиц дважды упорядоченного сверхпроводящего состояния Исследованы конкуренция и сосуществование дважды упорядоченного сверхпроводящего состояния и близкого по энергии существующего или наведенного сверхпроводимостью диэлектрического состояния в виде волн плотности заряда или тока заряда В рамках концепции сверхпроводящего спаривания с большим импульсом впервые произведен анализ изотопического эффекта на температуре сверхпроводящего перехода и лондоновской глубине проникновения Показано, что эта концепция находится в качественном согласии с наблюдаемыми особенностями изотопических эффектов в купратах.
Научная и практическая ценность.
Научная ценность результатов, представленных в диссертации, определяется тем, что эти результаты являются вкладом в теорию сверхпроводимости, который позволяет с единой точки зрения непротиворечиво интерпретировать фундаментальные свойства высокотемпературных купратных сверхпроводников Практическая ценность работы связана с развитым в ней эффективным методом унитарного преобразования, позволяющим получать решения системы уравнений самосогласования, описывающей сосуществующие сверхпроводящие и диэлектрические состояния и дающей возможность совместно рассматривать различные микроскопические механизмы спаривания
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Сверхпроводящее спаривание с большим импульсом пары при ку-лоновском отталкивании приводит к дважды упорядоченному состоянию с необычной симметрией параметра порядка и двухщеле-вым спектром квазичастиц с пересекающимися ветвями и перераспределением спектрального веса в окрестностях точек пересечения
2 Температура сверхпроводящего перехода определяется конденсацией пар с большим импульсом, тогда как конденсации пар с нулевым импульсом при более низкой температуре соответствует кроссовер между состояниями с различной сверхтекучей плотностью
3 Перенормировка экранированного кулоновского отталкивания элек-трон-фононным взаимодействием является причиной аномального изотопического эффекта на температуре перехода и глубине проникновения магнитного поля в дважды упорядоченном сверхпроводящем состоянии
Личный вклад автора в диссертационную работу.
Все научные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично Постановка задач исследования выполнена совместно с научным руководителем профессором В.И Белявским В обсуждении полученных результатов принимали участие член-корреспондент РАН Ю В. Копаев и кандидат физико-математических наук ЮН Тогушова
Апробация работы.
Результаты работы доложены на VIII международной конференции «Механизмы и материалы высокотемпературной сверхпроводимости» (Дрезден, 9-14 июля 2006 года), Второй Международной конференции «Фундаментальные проблемы сверхпроводимости» (Москва-Звенигород, 7-Ю октября 2006 года), тринадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных (Таганрог, 20-26 апреля 2007 года), XXIIV международной конференции по статистической физике (Генуя, Италия, 9-13 июля 2007 года), и научных семинарах отделения физики твердого тела Физического института им. ПН Лебедева РАН
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, изложенных на 110 страницах машинописного текста, включая 14 рисунков и список литературы из 191 наименований
