Введение к работе
Актуальность темы диссертации Несмотря на почти двадцатилетний период истории, механизм возникновения высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) до сих пор окончательно не установлен. Проблема выяснения природы ВТСП состояния тесно связана с перспективами поиска ноэых материалов. Важное место в решении этой задачи занимает изучение качественных характеристик сверхпроводников, обусловленных симметрией Куперовского конденсата. Установление симметрии конденсатов в широком классе ВТСП позволило бы, используя правила отбора, установить взаимодействия, которые могут приводить к спариванию в состояние с той или иной симметрией. Знание взаимодействий, в свою очередь, могло бы служить ключом к выяснению их природы. В рамках этой стратегии исследования вьшолнена настоящая диссертационная работа.
Актуальность теоретических задач, решения которых предлагается в работе, в значительной мере определялась ситуацией в эксперименте в период выполнения работы. При экспериментальном изучении симметрии-сверхпроводящего ПП, например в BLSr2CaCu20s+l[, разные методы определения симметрии приводят к противоречивым результатам [1,2]. Аналогичная ситуация наблюдается и для соединений YBa2CroO;i[, TLBa2Cu06+l[, Laj х Sr^CuO^ Одни данные согласуются с чисто D - волновой симметрией конденсата, описываемого или d . . или с1_у или анизотропной
S,._ . , - компонентами, а другие результаты можно объяснить обязательным
присутствием изотропного S , , , конденсата.
Наиболее вероятные состояния конденсата, которые следуют из
экспериментов по Джозефсоновскому туннелированию: s + id или S + ad,
теоретически рассматривались ранее в работах [3,4], где были посчитаны
термодинамические характеристики соответствующих суперпозиций.
Определение устойчивых состояний D-конденсата на основе
феноменологической теории фазовых переходов второго рода было
проведено в [5,6,7] и более полно в [8,9]. Отметим, что в работе [6] было
указано на несогласованность линейной теории щели в спектре фермиевских
возбуждений и симметрии состояния,,
ЮС НАЦИОНАЛЬНАЯ] 3 САМОТЕКА
Однако задача перечисления всех симметрийно-допустимых сложных состояний конденсатной волновой функции (описываемых суперпозицией конденсатов разных типов, трансформационные свойства которых соответствуют различным неприводимым представлениям группы симметрии задачи) и обоснования причин возникновения таких структур решена не была. Идея, которая лежит в основе данной работы заключается в том, что сложная структура конденсата при нетривиальном спаривании образуется в результате индуцирования несобственного конденсата. Реализация этой идеи позволяет дать точную симметрийную классификацию устоичивьж сложных состояний конденсата и указать на возможность фазовых переходов между ними.
Понятие несобственных ПП пришло из физики твердого тела [10,11]. Возникающая ниже точки перехода, симметрия может допускать существование отличных от нуля физически иных параметров порядка, которые не определяют симметрию фазового состояния, но существенно влияют на физические свойства. Трансформационные свойства несобственньж ПП описываются неприводимыми представлениями, содержащимися в симметричных степенях многомерного представления по которому преобразуется собственный ПП.
С учетом специфики сверхпроводящих состояний с нетривиальным спариванием идея несобственньж ПП применима и в этой области физики. В этом случае собственные и несобственные ПП имеют одну и ту же природу, но описывают конденсаты различных симметрии. Некоторые экспериментальные результаты по критическому току через контакты YBa2Cu30;i. - Pb могут быть проинтерпретированы в рамках гипотезы, что проявляющаяся в этой геометрии эксперимента добавка изотропного S . , , конденсата мала и описывается несобственным ПП.
Г-+Л-+Г
Феноменологическое описание структуры однородных
сверхпроводящих фаз в кристаллическом поле основывается на
трансформационных характеристиках ПП относительно группы симметрии:
Y(Gj=Gfx(/,xr (1)
где, Gc - группа симметрии кристаллического класса, Ut - группа градиентных преобразований электродинамики, Т - операция инверсии времени [6,9,10]. Симметрия задачи позволяет выделить два типа несобственньж сверхпроводящих ПП:
Несобственный конденсат 1-типа возникает когда собственный конденсат индуцирует структурные изменения в кристалле, а затем взаимодействуя с ними в самосогласованном режиме, частично изменяет свое состояние. В этом случае можно говорить об индуцировании новых каналов спаривания и этот эффект описывается несобственными сверхпроводящими ПП.
Несобственный конденсат II - типа отвечает образованию комплексов пар. Вероятность образования комплексов пар с точки зрения теории БКШ мала, однако есть экспериментальные доказательства того, что взаимодействие "собственного" конденсата с кристаллической решеткой мало, поэтому изучение и этого механизма образования несобственного конденсата актуально.
В данной работе исследуется случай собственного D-спаривания в кристаллическом поле, и симметрийно-обусловленное возникновение несобственньж конденсатов I - типа в фазах с пониженной пространственной симметрией. Явление несобственной сверхпроводимости существенно влияет на вид сверхпроводящей щели, Джозефсоновский ток, глубину проникновения магнитного поля в сверхпроводник и другие характеристики.
Цели и задачи работы. Целью работы являлось изучение стабильных структур Куперовского конденсата, возникающих при анизотропном D-спаривании; исследование влияния несобственньж доупорядочений на свойства сверхпроводников. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
о Проанализировать устойчивые структуры конденсата, которые возникают в кристаллах кубической, гексагональной и тетрагональной сингонии. о Исследовать влияние допустимых симметрией нелинейных
взаимодействий на щель в спектре фермиевских возбуждений, о Рассмотреть возможные источники анизотропии глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник. Методы исследований. Поставленные задачи решались в рамках теоретико-групповой схемы феноменологической теории фаз и фазовьж переходов, развитой в работах [11,12,13].
Объекты исследований. Объектами исследования являются системы, в которьж реализуется нетривиальное D-спаривание. Экспериментальные данные рассматривались для сверхпроводящих медьсодержащих оксидов -YBa2Cu307.x, Bi2Sr2CaCu208+l[, Tl2Ba2Cu06+l[, NdBa^CUjO,, La^Sr^CuO, идр.
Научная новизна работы В настоящей работе впервые
Показано, что в случае анизотропного спаривания существует явление индуцирования конденсатов, отвечающих значению орбитального момента отличному от исходного.
Получено решение задачи о перечислении стабильных однородных структур D - конденсата, возникающих в тетрагональных, гексагональных и кубических кристаллических классах. Задача решена с учетом дополнительного конденсата, описываемого несобственными ПП.
Дано феноменологическое описание спектра фермиевских возбуждений для кубических и тетрагональных кристаллических систем, учитывающее допустимые симметрией нелинейные взаимодействия.
Выявлено, что одним из источников анизотропии глубины проникновения магнитного поля в сверхпроводник является магнитная восприимчивость.
Научная и практическая значимость работы
Исследование устойчивых сверхпроводящих фаз, возможных в различных кристаллических системах представляет значительный интерес для экспериментальной идентификации структур конденсата, согласования экспериментальных данных полученных различными методами и выявления взаимодействий, существенных в исследуемой системе.
Установленная в работе структура сверхпроводящей щели, диктуемая строгими соотношениями симметрии, является необходимым инструментом при анализе и интерпретации данньж фотоэммисии, туннельной спектроскопии, квантового рассеяния света.
Учет несобственных ПП позволяет снять противоречие между аналитической теорией спектра и точной симметрией состояния.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
о В случае нетривиального спаривания в некоторьж сверхпроводящих фазах с пониженной пространственной симметрией становится возможным появление дополнительного конденсата, описываемого несобственными ПП.
о В работе с целью доказательства первого положения и рассмотрения всех случаев спаривания в пространственно-однородное состояние проведена полная симметрийная классификация сверхпроводящих фаз для сверхпроводников с кубической, гексагональной и тетрагональной структурой, в которых реализуется D-спаривание, описываемое одним многомерным неприводимым представлением.
о Несобственные доупорядочения, индуцированные анизотропным спариванием в кристаллическом поле, ответственны за отсутствие нулей щели в спектре фермиевских возбуждений в низкосимметричных фазах. Таким образом, точная симметрия состояния отражается в аналитических вычислениях щели только при учете взаимодействий собственного и несобственного ПП. В работе построен общий аналитический вид щели в спектре возбуждений Куперовского конденсата для кубических и тетрагональных классов симметрии с учетом симметрийно обусловленньж внутриконденсатных нелинейных взаимодействий.
о Анизотропия глубины проникновения магнитного ПОЛЯ в сверхпроводник в значительной степени обусловлена анизотропией магнитной восприимчивости поверхностного слоя, а не только анизотропией тензора эффективных масс Куперовских пар
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: XXI International conference on low temperature physics. LT-21.(Prague. - 1996), Первом Ростовском Международном симпозиуме по высокотемпературной сверхпроводимости. IMHTS-2R
(Ростов-на-Дону -1998); Пятой всесоюзной научной конференции студентов физиков и молодых ученых. ВНКСФ-5 в секции «Теория твердого тела» (Екатеринбург - 1999) (диплом первой степени); Девятой всесоюзной научной конференции ВНКСФ-9 в секции «Физика низких температур. Сверхпроводимость». (Красноярск - 20003) (диплом третьей степени); Международных симпозиумах «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» ODPO-2003, ODPO-2004. (Сочи)
Личный вклад автора Теоретические вычисления были проведены лично автором. Выбор темы исследования и постановка задач, их постоянное расширение и углубление выполнено совместно с научным руководителем профессором Ю.М. Гуфаном.
Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ в отечественных и зарубежных изданиях, написанных в соавторстве. Список приводится в конце автореферата.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Содержит 123 страницы машинописного текста, включающих 28 рисунков, 10 таблиц и библиографию из 107наименований.
