Туннельная спектроскопия и спектроскопия андреевского отражения новых высокотемпературных сверхпроводников Степанов, Валерий Анатольевич

Введение к работе

Актуальность темы исследований.

В последней четверти 20-го века открыты несколько классов новых сверхпроводящих соединений, свойства которых заметно отличаются от свойств «классических» сверхпроводников: органические сверхпроводники, сверхпроводники с тяжёлыми фермионами, ВТСП и т.д. Одной из важнейших характеристик сверхпроводящего состояния является энергетическая щель (щели) в спектре возбуждений квазичастиц. Измерение числа энергетических щелей, их величин и симметрии даёт ключевую информацию о сверхпроводящем состоянии и спаривающем взаимодействии.

Классическим, хорошо известным методом изучения энергетической щели и механизма образования пар считается туннельная спектроскопия [1]. Другим достаточно точным методом исследования энергетической щели, получившим широкое распространение при работе с новыми сверхпроводниками, является спектроскопия андреевского отражения - изучение характеристик специфического отражения электронов на границе нормального металла и исследуемого сверхпроводника, связанного с преобразованием тока квазичастиц в ток пар. Оба метода, в сущности, сводятся к измерению характеристик процесса прохождения электронов через границу раздела нормального металла и исследуемого сверхпроводника в двух предельных случаях, определяемых «силой» барьера, разделяющего металлы Z . При «сильном» барьере на границе раздела (Z >> 1) электроны преодолевают её за счёт туннельного эффекта. При отсутствии барьера (Z = 0) и напряжении |V| < А/ e ток между металлами течет за счёт преобразования на границе раздела тока квазичастиц в ток пар - процесса, который впервые рассмотрел А. Ф. Андреев и который носит его имя [2]. Несмотря на отличия, оба эффекта определяются зависимостью от энергии плотности состояний квазичастиц сверхпроводника на уровне Ферми N_s (E_f ) и приводят к нели- нейностям на вольт - амперной характеристике (ВАХ) контакта нормальный металл/сверхпроводник, которые обычно регистрируются на производных ВАХ. Проводимость баллистического микроконтакта (контакта, характерный размер которого а много меньше длины свободного пробега электронов a << l) между сверхпроводником и несверхпроводящим металлом (S/N - контакт) при произвольной силе барьера Z пропорциональна [3]:

a _SN (V, А, Z, T) к d / dV{ J [1 + A(E, А, Z) - B(E, А, Z)][ f (E — eV, T) - f (E, T)]dE}, (1)

—ад

где V - напряжение на границе раздела металлов, А - энергетическая щель, T - температура, A(E, А, Z) - вероятность андреевского отражения, B(E, А, Z) - вероятность «обычного» отражения, f (E, T) - функция распределения Ферми, E - энергия квазичастиц. При «сильном» барьере (Z >> 1, туннельный контакт) A = 0 и проводимость контакта пропорциональна плотности состояний квазичастиц

сверхпроводника a_SN(V) = dI_SN/dV <х N_s(E) = |E|/VE² -А² , которая имеет пик при E = \eV\ = A. Если барьер отсутствует (Z = 0, микрозакоротка), A = 1, B =0 и проводимость внутри энергетической щели (\eV\ < А) удваивается за счет андреевского отражения. Энергетическая щель сверхпроводника проявляется на зависимости (dI / dV)_SN в виде пиков или резких спадов проводимости при напряжении на контакте Vl = А / e. Это даёт возможность непосредственно, без применения какой-либо модели, измерить величину энергетической щели. При IV >А/ e

на вольт - амперной характеристике контакта можно разрешить «тонкую» структуру, связанную с зависимостью А(E), _котор_{ая оп}р_ед_{еляется} спаривающим взаимодействием. Понятно, что для измерений туннельного эффекта и спектра андреевского отражения используют практически идентичные методы и аппаратуру.

Следует отметить, что, несмотря на близость этих эффектов, результаты, полученные с их помощью, могут заметно отличаться [4]. Дело в том, что проводимость туннельного контакта пропорциональна плотности состояний квазичастиц сверхпроводника, которая может иметь «дополнительные» особенности, зависящие от температуры и магнитного поля, но не связанные напрямую со сверхпроводимостью (например, псевдощель в ВТСП). Это может привести к тому, что положение и форма щелевого пика на зависимости a_SN (V) будут определяться некой комбинацией энергетической щели сверхпроводника и этой «дополнительной» структуры. В результате характеристики энергетической щели сверхпроводника будут искажены. Андреевское отражение на границе раздела N и S металлов происходит только при преобразовании квазичастиц нормального металла в конденсат когерентных пар сверхпроводника и чувствительно именно к энергетической щели сверхпроводящего состояния. Таким образом, исследования проводимости S/N - контактов, работающих в туннельном режиме и режиме андреевского отражения, могут дать более полную картину сверхпроводящего состояния, чем изучение только одного из этих эффектов.

В данной диссертации приведены результаты исследований методом туннельной спектроскопии и спектроскопии андреевского отражения нескольких новых сверхпроводящих материалов, открытых в конце прошлого - начале этого века: ВТСП, MgB₂, ZrBi₂, и CaC₆. На момент начала работы ряд характеристик сверхпроводящего состояния этих соединений не были надежно установлены. Это позволяет заключить, что представленная диссертация посвящена актуальной проблеме.

Целями настоящей работы являлись:

изучение ВТСП методом туннельной спектроскопии: --исследовать энергетические щели, величины отношения 2А/кТ_с, зависимости энергетических щелей от температуры ряда новых сверхпроводящих материалов;

-- разрешить тонкую структуру туннельных спектров, связанную со спаривающим взаимодействием;

-- определить какие особенности на туннельных характеристиках ВТСП связаны с их природой и какие особенности обусловлены не идеальностью образцов и туннельного барьера;

методом спектроскопии андреевского отражения:

-- исследовать фазовую диаграмму одного из ВТСП материалов - зависимость характеристик энергетической щели ВТСП от концентрации носителей тока (уровня допирования);

-- исследовать характеристики энергетических щелей MgB2 и получить доказательства многозонной природы этого уникального соединения;

-- исследовать влияние легирования и облучения нейтронами на энергетические щели MgB₂. Определить вклад заполнения зон, межзонного и внутризон- ного рассеяния в изменение сверхпроводящих свойств; -- проверить теории, развитые для описания MgB₂;

-- измерить некоторые характеристики электронной, фононной систем и энергетической щели ZrB₁₂;

-- исследовать энергетическую щель СаС₆.

Объекты исследования.

Все исследованные материалы представляли собой уникальные монокристаллические и в некоторых случаях поликристаллические образцы высокого качества, изготовленные и охарактеризованные в ведущих научных центрах России, Швейцарии, Италии, Германии и Украины.

Научная новизна и достоверность работы.

Все основные результаты, изложенные в диссертации, являются новыми. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена: измерениями, сделанными позже другими авторами и методами; совпадением результатов измерений с теоретическими расчетами; публикациями полученных результатов в ведущих научных журналах; ссылками на публикации автора.

На защиту выносятся следующие положения:

3. 1. Разработаны методы создания стабильных туннельных контактов на криогенном сколе ВТСП- кристаллов типа ВТСП/Nb и на микротрещине ВТСП- кристалла типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (S/I/S) («break- junction» contact). Проведены туннельные исследования La_2-xSr_xCuO_4-s, EuBa₂Cu₃O_7-s, Bi₂Sr₂CuCa₂O₈+5 (Ві2212)и Bi₂Sr₂Cu₂Ca₃O₁₀^ (Bi2223) кристаллов. Получены воспроизводимые туннельные спектры, измерены энергетические щели, температурные зависимости щелей A(T). Найдено, что величина отношения 2Д(0)/к_вТ_с значительно превышает 3.5 для всех исследованных материалов.

   Впервые на туннельных спектрах ВТСП при E > 2A разрешена «тонкая» структура и доказано, что эта структура обусловлена электрон-фононным взаимодействием (ЭФВ).

   3. 2. Методом спектроскопии андреевского отражения на большом числе образцов изучены зависимости энергетической щели La_2-xSr_xCuO₄ (LSCO) от уровня легирования и температуры в диапазоне концентраций Sr 0.08 < x < 0.2. Показано, что характерные особенности на зависимости проводимости от напряжения, связанные с андреевским отражением, исчезали при T= Т_с образца при всех уровнях легирования. Сравнение с теорией выявило, что энергетическая щель может быть описана (s + d_x2._y2) либо (d_x2-y2 + Id_xy)- типами симметрии при всех легированиях и температурах. Установлено, что в недодопированных образцах (x < 0.14) энергетическая щель не увеличивается с уменьшением x. Зависимость доминирующей (имеющей большую амплитуду) компоненты энергетической щели от x следует за зависимостью T^x). Полученные результаты указывают на пропорциональность A и Т_с, на разную природу псевдощели и энергетической щели сверхпроводящего состояния в LSCO.

      3. Исследован эффект Джозефсона в MgB₂. Контакты Джозефсона на микротрещине в высококачественном поликристаллическом MgB₂ были получены при температуре 4.2 К. Вольт-амперные характеристики точно описывались резистивной моделью джозефсоновского контакта, смещенного током, при учёте небольшой ёмкости и тепловых флуктуаций. При облучении контактов электромагнитным излучением с частотой f = (9 - 15) ГГц на вольт-амперных характеристиках наблюдались четкие большой амплитуды ступеньки тока (ступеньки Шапиро), расположенные друг от друга на расстоянии AV = (h He) х f. Были изучены: 1) зависимость постоянного тока Джозефсона от температуры и мощности СВЧ сигнала; 2) зависимость амплитуд ступенек Шапиро от мощности СВЧ сигнала. Полученные результаты описываются существующими теориями, свидетельствуют о S/N/S природе слабой связи изученных контактов, доказывают существование пар с зарядом 2е в MgB₂.

      4. Методом спектроскопии андреевского отражения исследован многозонный сверхпроводник MgB₂. Разработан метод создания «мягких» точечных контактов андреевского типа (S/N) между MgB₂ и каплей токопроводящего клея (или In), имеющих очень высокую стабильность. Предложено использовать магнитное поле для разделения вкладов о - и п - зон в проводимость контакта, что позволило существенно увеличить точность измерений энергетических щелей MgB₂ и надёжность полученных результатов. Измерены энергетические щели и вклады о - и п - зон в полную проводимость баллистического андреевского контакта при протекании тока в плоскости ab и вдоль оси c кристаллов. Исследованы зависимости энергетических щелей о - и п - зон монокристаллов MgB2 от температуры и напряженности магнитного поля, параллельного оси с кристалла A_ct (B) и A_n (B). Найдено, что вклады зон в проводимость точечного контакта, величины энергетических щелей A_ct (0), A_n (0) и зависимости A_ct (T) и A_n (T) согласуются с предсказаниями двухзонной модели, а зависимости A_ct(B) и A_n (B) правильно описываются теорией смешанного состояния грязных двухзонных сверхпроводников. Получены доказательства, что п - зона даже в лучших монокристаллах MgB₂ находится в умеренно грязном пределе.

      5. Методом спектроскопии андреевского отражения исследованы зависимости энергетических щелей ст- и n- зон легированного MgB₂ от типа легирующей примеси и уровня легирования:

      а) монокристаллов MgB₂, легированных углеродом Mg(B₁^C_r)₂, 0.055 < r < 0.132, Т_с = 39 - 19 К;

      б) монокристаллов и поликристаллов MgB₂, легированных алюминием Mg_bxAl_xB₂, 0.02 < x < 0.32, Т_с = 38 - 12 К;

      в) монокристаллов MgB₂, легированных марганцем Mg_1-xMn_xB₂, 0.0037 < x < 0.015, T_c = 39 - 13.3 K;

      Изучено влияние легирования на характеристики сверхпроводящего состояния MgB₂: роль заполнения зон, меж- и внутри - зонного рассеяния, разупо- рядочения.

      Показано, что: 1) двухщелевая природа MgB₂ очень устойчива - может сохраняться при сильном легировании (даже при уменьшении T_c до ~ 10 К);

      2) энергетическая щель о- зоны A_tj всегда уменьшается с ростом концентрации примеси x; 3) зависимость A_jr (x) определяется конкуренцией между уменьшением плотностей состояний о- и ж- зон на уровне Ферми и увеличением межзонного рассеяния Y_om; 4) слияние энергетических щелей, которое иногда рассматривается как основное следствие двухзонной модели, наблюдалось только в монокристаллах Mg(B_1-xC_x)₂ при x = 0.132 (Т_с^оп = 19 K); 5) в монокристаллах и поликристаллах Mg_1-xAl_xB₂ межзонное рассеяние Y_mc недостаточно для того, чтобы обеспечить слияние энергетических щелей; 6) при гетеровалентном легировании (замене Mg на Al и B на C) основным эффектом, подавляющим сверхпроводимость, является увеличение числа электронов в системе (заполнение зон), сопровождающееся уменьшением плотностей состояний на уровне Ферми; 7) при изо- валентном легировании магнитной примесью (Mn) (монокристаллы Mg_1-xMn_xB₂) сверхпроводимость подавляется, главным образом, в результате рассеяния носителей тока с переворотом спина в о- зоне, приводящего к разрушению куперов- ских пар, и что рассеяние в ж- зоне и межзонное рассеяние в Mg_1-xMn_xB₂ при x < 0.015 дают небольшой вклад в разрушение сверхпроводящего состояния; 8) при высоком уровне легирования основную роль в подавлении сверхпроводимости в MgB₂, по-видимому, начинают играть эффекты, связанные с разупорядочением.

      Подтверждено одно из основных предсказаний двухзонной модели и доказана её высокая точность.

      6. Методом спектроскопии андреевского отражения измерены зависимости энергетических щелей о - и ж - зон поликристаллов Mg¹¹B₂, облученных

      нейтронами, от критической температуры образца T_c = T_c^A - A₀ (T_c) и A_m (T_c) (ин-

      тегральная плотность потока нейтронов через образец Ф = 0 - 1.4*10 cm^- , критическая температура андреевского контакта Tf = 39.2 - 9.2 К). Оценено влияние дефектов и разупорядочения, появляющихся в результате воздействия нейтронного облучения на MgB₂. Показано, что для образцов с Т_с = (39 + 20) К при описании сверхпроводящего состояния необходимо учитывать небольшое увеличение скорости межзонного рассеяния Г_GK с ростом Ф. Подтверждено, что: а) энергетические щели зон сливаются при Tf « 9 К; б) при росте Ф основной вклад в разрушение сверхпроводимости даёт уменьшение плотности состояний квазичастиц на уровне Ферми G- зоны N_a (E_p).

      3. 5. 1. Проведены измерения и оценки ряда фундаментальных физических параметров монокристаллов ZrBi₂: температуры Дебая O_d = 283 К, константы электрон-фононного взаимодействия к = 0.67, плазменной частоты hm_p = 5.6 эВ, энергии Ферми E_f = 3 эВ. Методом спектроскопии андреевского отражения измерена энергетическая щель 2Д = 2.5 мэВ, верхнее критическое магнитное поле B_c2 « 0.11 Т и их зависимости от температуры A(T) и B_c2(T). Полученные результаты доказывают, что этот материал является обычным БКШ - сверхпроводником с s- симметрией энергетической щели и электрон-фононным спариванием.

            2. Исследована анизотропия и зависимость от температуры энергетической щели недавно (2005 г.) открытого сверхпроводника СаС₆ с Т_с = 11.4 К. Измерения энергетической щели были проведены на большом числе «мягких» точечных контактов Са^/Ag андреевского типа с током через контакт, протекающим вдоль плоскостей атомов углерода (плоскость ah) - A_ab, и вдоль направления перпендикулярного этим плоскостям (вдоль оси c) - A_c. Распределения найденных величин A_ah(0) и A_c(O) описывались гауссовыми кривыми с максимумами при 1.35 и 1.75 мэВ, соответственно. Зависимости от температуры A_ah(T) и A_c(T) совпадали с БКШ- зависимостями. Полученные результаты доказывают анизотропный характер энергетической щели в СаС6, согласуются с теоретическими представлениями об этом материале и позволяют проверить точность расчётов.

            Научная и практическая ценность.

            Данная работа охватывает широкий круг проблем, связанных с изучением новых сверхпроводников. Проведенные исследования позволили установить или уточнить ряд фундаментальных характеристик этих соединений, проверить существующие теоретические модели.

            В ВТСП -купратах исследования, проведенные на монокристаллах, дали возможность уточнить величину энергетической щели А, зависимость А(Т), отношение 2А / k_BT_c, знание которых необходимо для ответа на вопрос о механизме высокотемпературной сверхпроводимости. Впервые на туннельных спектрах была разрешена «тонкая структура» и показана связь этой структуры с электрон - фононным взаимодействием.

            Исследования уникального многозонного сверхпроводника MgB₂ позволили экспериментально доказать высокую точность двухзонной модели сверхпроводимости, развитой для описания этого соединения, лучше понять механизмы, ответственные за подавление сверхпроводящего состояния при легировании и облучении.

            При изучении ZrB₁₂ был измерен ряд фундаментальных характеристик этого соединения. Изучение энергетической щели CaC₆ позволило доказать и измерить её анизотропию и подтвердить точность расчётов характеристик нормального и сверхпроводящего состояний методом функционала плотности.

            Апробация работы.

            Основные материалы диссертации докладывались на:

            Int. conf. "High temperature superconductors and materials and mechanisms of superconductivity", Interlaken, Switzerland, February 28 - March 4, 1988;

            1-USSR HTS conf., Kharkov, USSA, December 20-23, 1988;

            1st Asia-Pacific Conference on Condensed Matter Physics, Singapore 27 June - 3 July, 1988;

            Modern materials technologies and making methods of elements of HTSC chips, Minsk, USSA, September 17-25, 1990;

            3-rd National Meeting on HTTS (SATT3) Genoa, Italy. Proc. edited by C. Fer- deghini and A.S. Siri, World Scientific Publ., pp. 188-193, 1990;

            8-th Cimtec World Ceramic Congress, Florence, Italy, June 28 - Jule 4, 1994;

            5-th International Conference Materials & Mechanisms of Supercondactivity

            High-Temperature Superconductors (M S-HTSC-V), Beijing, China, Feb.28-Mar.4, 1997;

            Int. Conf. Materials and Mechanism of Superconductivity and High-

            Temperature Superconductors (M S-HTSC-VI). Houston, Texas, 18-25 February 2000;

            11- National Conference on Superconductivity, SATT11, Vietri sul Mare, Italy, March 19-22, 2002;

            International Conference on "Superconductivity in Magnesium Diboride and Related Materials" BOROMAG, Genova, Italy, June 17-19, 2002;

            National Conference on Physics of Matter, INFM Meeting 2002, Bari, Italy, June 24-28, 2002;

            3. 5. 2. 1. ^th International Conference on "Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors", M2S-RIO, Rio de Janeiro, Brasil, May 25-30, 2003;

                     International Workshop "Open questions in understanding the superconducting and normal state properties of MgB₂", Rome, Italy, July 2-4, 2003;

                     6th European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS 2003, Sorrento, Italy, September 14-18, 2003;

                     3. 5. 2. 1. 1. ая Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (ФПС'04). Москва - Звенигород, Россия, 18

                                 22 октября 2004 г.;

                                 Int. Workshop on Weak Superconductivity, Bratislava, Slovak Republic, Sept. 16 - 19, 2005 (WS'05).

                                 1. 1. - International Conference On Materials and Mechanisms of Superconductiv-

                                    ity and High Temperature Superconductors. (MS - HTSC VIII), Dresden, July 9 - 14, 2006;

                                    1. 1. 1. ая Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (ФПС'06). Москва - Звенигород, Россия, 9 - 13 октября 2006 г.;

                                          2. ая Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (ФПС'08). Москва - Звенигород, Россия, 13

                                          17 октября 2008 г.;

                                          На научных семинарах в ФИАНе и конференциях по сверхпроводимости в Италии.

                                          Похожие диссертации на Туннельная спектроскопия и спектроскопия андреевского отражения новых высокотемпературных сверхпроводников

                                          

                                          Андреевская, туннельная и джозефсоновская спектроскопия двухщелевого сверхпроводника Mg1-xAlxB2Кузьмичев, Светослав Александрович

                                          Исследования сверхпроводников методами электронной спектроскопииНазин, Валерий Георгиевич

                                          Теплоемкость и нейтронная спектроскопия кристаллического электрического поля в высокотемпературных сверхпроводникахМирамельштейн, Алексей Владиславович

                                          

                                          Исследования структуры сверхпроводников Y1-x Yb x Ni2 B2 C, ряда полидисперсных систем, полимеров и белков методами EXAFS-спектроскопии и малоуглового рассеянияКонарев Петр Валерьевич

                                          Многоволновая дифракция в фотоннокристаллических структурах : спектроскопия отражения и пропускания светаФедотов, Владимир Григорьевич

                                          

                                          Спектроскопия упругого отражения электронов как метод диагностики поверхности твердого телаЧистотин Игорь Андреевич

                                          

                                          Андреевская спектроскопия сверхпроводящих оксипниктидов железаКузьмичева Татьяна Евгеньевна

                                          

                                          ЯМР спектроскопия доменных границ в магнитоупорядоченных кристаллах Залесский Андрей Владимирович

                                          

                                          Селективная лазерная спектроскопия активированных кристаллов и стекол Басиев Тасолтан Тазретович

                                          

                                          Исследование сегнетоэлектрических фазовых переходов в Gd2 (MoO4)3 и CsH2AsO4 методами кристаллооптики и мандельштам-бриллюэновской спектроскопии Мартынов Виталий Геннадьевич