Введение к работе
Актуальность работы. Открытие в 1986 году Беднорцем и Мюллером сверхпроводимости (СП) в системе La-Ba-Cu-О с температурой сверхпроводящего перехода (Тс) ~ 30 К вызвал большой научный и практический интерес к проблеме высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) . В короткий срок были синтезированы другие системы с гораздо большими Тс: Y-Ba-Cu-0 (-90 К), Ві-Sr-Ca-Cu-O (-110 К), Т1-Ва-Са-си-0 (-125 К). Все они являются медь-содержащими оксидными соединениями. Данный класс соединений принято в настоящее время называть высокотемпературными сверхпроводниками.
Практическое использование ВТСП материалов наиболее перспективно в электронике, в системах распределения электроэнергии и экономически намного выгоднее в связи с использованием азотной системы охлаждения, которая гораздо дешевле по сравнению с гелиевой, применяемой для охлаждения классических "низкотемпературных" сверхпроводников (НТСП).
Научный интерес связан прежде всего тем, что согласно классической теории НТСП Бардина, Купера, Шриффера (БКШ-теории), механизмом, ответственным за СП, является электрон-фононное взаимодействие. Считалось, что в рамках данного механизма существует ограничение на Тс (Тс< 25 Н). Кроме того, слабый изотопический эффект в ВТСП соединениях указывает в линейном приближении на слабую связь электронной и фононной подсистем. Это способствовало появлению множества нефононных механизмов ВТСП (экситонных, соли-тонных, поляронных, магнитных и т.д.), но до сих пор ни одна из них безусловного признания не получила. Тем не менее, роль динамики кристаллической решетки в Формировании сверхпроводящих свойств этих соединений может быть одной из наиболее важных. Причиной этому является наличие сильного энгармонизма ВТСП систем, учет которого, в частности, может объяснить одно из самых главных свойств в ВТСП - аномальный изотопический эффект, в рамках элект-рон-фононного.механизма.
Однако, разнообразие свойств и сложность структур ВТСП систем затрудняют однозначную интерпретацию экспериментальных результатов, в том числе и по исследованию динамики решетки. В этом плане .интерес представляют работы по моделированию отдельных свойств этих систем. Теоретические исследования в аналитическом
виде затрудняются трудностью решения нелинейных уравнений. Такие задачи легко разрешимы в компьютерном эксперименте.
Метод молекулярной динамики (МВД) является уникальным средством моделирования динамических свойств кристаллических решеток твердых тел. Система Laz-xSrxCu04 обладает наиболее простой структурой из класса ВТСП соединений и, поэтому, является более удобным объектом исследования на ЭВМ. Сопоставление результатов моделирования с экспериментальными позволяет выявить свойства, присущие чисто решеточной подсистеме данного соединена.
Целью работы являлось исследование влияния особенностей сил межатомного взаимодействия на динамику кристаллической решетки системы La2_xSrxCu04 при различных температурах, концентрациях дефектов и внешних воздействиях.
При этом решались следующие задачи:
-
Построение устойчивой кристаллической решетки системы.
-
Выяснение роли особенностей сил межатомного взаимодействия в динамике решетки.
-
Расчет плотности колебательных состояний (ПКС) при различных температурах и концентрациях Sr, в зависимости от приложенного внешнего давления и концентрации вакансий.
-
Трактовка результатов работы и известных экспериментальных результатов в рамках ангармонического приближения.
Научная новизна работы. МВД использовался для исследования динамики решетки системы Laz-xSrxCu04 с использованием парных потенциалов взаимодействия, учитывающих экранировку ионов и сильную анизотропию соединения. Показана возможность реализации нового типа дефектов динамического типа в квазидвумерной системе : при наличии энгармонизма и резком различии потенциалов взаимодействия в системе могут возбуждаться локальные высокочастотные колебания (ЛВК) атомов нефононной природы, аналогичные предсказанным теоретически Сивереом и Такено в одномерных ангармонических цепочках. При введении примесных атомов замещения Sr (неоднородности), ЛВК фиксируются на 4-х атомах кислорода в слое Си-Ог вблизи атомов Sr которые концентрируют на себя значительную часть кинетической энергии решетки. За счет этого средняя кинетическая энергия атомов остальной части решетки уменьшается . Возбуждение их в случае однородной ангармонической решетки зависит от характера сил межатомного взаимодействия. В случае, если они появляются в однород-
ной ангармонической решетке, то пространственной локализации не происходит.
Практическая ценность работы. Полученные результаты способствуют дальнейшему развитию ангармоническріх моделей ВТСП в рамках злектрон-фононного взаимодействия носителей сверхпроводящего тока. Применительно к ВТСП системам, ЛВК могут быть ответствеиньми за поглощение в средней области инфракрасного спектра поглощения (пики в области 0.4 эВ), которые в настоящее время однозначно не идентифицированы. Для полного решения вопроса необходимо выполнить эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов, которые в данном энергетическом диапазоне не выполнялись ввиду технических трудностей. Предложена гипотеза о возможности реализации в данной системе ВТСП при достаточно высоких температурах.
На защиту выносятся:
-
Результаты моделирования динамики решетки системы La2_xSrxCu04 методом молекулярной динамики с потенциалами парного взаимодействия "(ППВ), рассчитанными по псевдопотенциальной схеме и упрощенной методике функционала плотности при разных температурах, внешних воздействиях, дефектах кристаллической структуры.
-
Обнаружение локальных высокочастотных колебаний атомов кислорода в Си-02 слое вблизи примесных атомов Sr в нелинейной системе La2-xSrxCu04.
-
Возникновение локализованных динамических дефектов вблизи атомов Sr со средней кинетической энергией в ~ 100 раз большей, чем в среднем по системе.
-
Трактовка результатов работы и известных экспериментальных в рамках ангармонического приближения статистической физики,' приводящего к нарушению канонических условий.
Апробация работы: Результаты работы докладывались на:
2-м Международном семинаре по эффектам разупорядочения в ВТСП (Ташкент, 1991)
Международном семинаре "Физика радиационных повреждений" (Заречный, 1993)
1-й, 2-й Российской университетско-академической научно-практической конференции (Ижевск, 1993, 1995)
36-м и 37-м постоянном международном семинарах по компьютерному моделированию дефектов структуры и свойств конденсированных сред (Тольятти, 1993; Ижевск. 1994)
1-м Уральском Международном семинаре "Радиационная физика металлов и сплавов" (Снежинок, 1995)
3-й межгосударственный семинар "Структурно-морфологические основы модификации нетрадиционных технологий" (Обнинск, 1995)
3-я международная школа-семинар "Эволюция дефектных структур в конденсированных средах" (Барнаул, 1996}
Всероссийская конференция "Химия твердого тела и новые материалы" (Екатеринбург, 1996)
Основное содержание диссертации опубликовано в 10 научных работах.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, вывода, заключения, списка литературы, 116 страниц, 26 рисунков, 3 таблиц.
