Введение к работе
І. Общая характеристика работы
Актуальность темы. Сверхпроводимость с момента открытия X. Камерлинг-іннесом в 1911 году исчезновения электросопротивления в металле ниже пределешюй температуры продолжает и сегодня приковывать внимание, (остаточно упомянуть о ее многочисленных практических применениях и о енсациошюм открытии высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП). Своеобразие сверхпроводимости объясняется макроскопическим когерентным остоянием электронов проводимости с единой волновой функцией, напоминаю-тим бозе-онштейповский конденсат пар электронов. Внутренний микро-копическлй механизм раскрыт в теории Бардина-Купера-Шрифера, созданной к 957 году. В основе лежит идея фононного механизма спаривания электронов.
Однако до сих пор не удается предсказать заранее температуру перехода Тс в верхпроводящее состояние конкретного материала, поскольку речь идет о очном выделении весьма слабого взаимодействия в системе электронов на фоне їх большой собственной энергии. И в настоящее время изучение каждого :онкретного сверхпроводника остается актуальным. Ярким примером является іеожиданно обнаруженная в 1986 году высокотемпературная сверхпроводимость і давно известных слоистых металлооксидах.
Ключевой задачей для понимания физической природы сверхпроводимости іазличньж материалов является определение роли важнейших электронных арактеристик в формировании параметров сверхпроводящего состояния. Так, >дной из основных характеристик, определяющих критическую температуру, івляется плотность электронных состояний на уровне Ферми N(0). В случае ЗТСП, где, как сегодня предполагается, в связи с квазндвумерностыо н другими хюбенностями, может оказаться существенным флуктуационный вклад в зеличину Тс, представляет интерес также оценка анизотроіши электрошюи массы і длины когерентности сверхпроводящих электронов \.
Для сверхпроводников 2 рода, к которым относятся V, No и широкий спектр соединений скорость Ферми v и анизотропия масс определяют величину и анизотропию верхнего критического магнитного поля Н^- Вклад в величину Hj.2, обусловленный рассеянием электронов на дефектах, имеет простое выражение через удельное сопротивление нормального состояния и N(0). В принципе все эти параметры электронной структуры, также как и длина когерентности ,(Т), могут быть определены из измерений температурной зависимости Н^Т).
Развитие такого метода получения электронных характеристик представляется особенно интересным для случаев, когда традиционные экспериментальные подходы трудно осуществимы. Так, один из наиболее привлекательных методов оценки N(0) - измерение теплоемкости при низких температурах - практически неприемлем для пленок, неотделимых от подложек. Весьма затруднено такое измерение и для высокотемпературных сверхпроводников, переведение которых в нормальное состояние при низких температурах требует гигантских магнитных полей. К таким относятся материалы с особенно высокой критической температурой, например, RBa2Cu307 с Тс около 90 К (R=Y, Sm, Eu, Gd...).
В рамках фононного механизма взаимосвязь критических полей и электронных параметров может рассматриваться на основе теории Гинзбурга-Ландау-Абрикосова-Горькова для сверхпроводников 2 рода (ГЛАГ) - асимптотической формы микроскопической теории в окрестности Тс. Теория ГЛАГ обобщает представления микротеории и феноменологических подходов и позволяет в удобной форме оперировать наиболее удачно введенными в них параметрами.
Экспериментальные данные по температурной зависимости критического поля НС2(Т) использовались ранее для оценок электронных характеристик такого привлекательного класса сверхпроводников как соединения со структурой А15. До ВТСП эти материалы имели самые высокие температуры перехода (рекорд Тс«24 К достигнут для Nb3Ge). Интерес к А15 стимулировал
5 развитие метода. Однако до настоящего времени в этом направлении имел место ряд вопросов.
При оценке N(0) из измерений НС2(Т) реального материала необходимо определить вклад рассеяния электронов в величшгу критического поля сверхпроводника с дефектами структуры. Этот вклад приводит к существенному отличию величины Нс-2 от критического поля чистого сверхпроводника Н» в
отсутствие рассеяния.
В случае грязных сверхпроводников, где длина свободного пробега электронов много меньше длины когерентности 0 микротеории, вклад рассеяния доминирует в величине критического поля. В пределе «^0 N(0) может быть оценена непосредственно в результате измерений НС2(Т) и единственного дополнительного параметра - удельного сопротивления р:
Hc2~N(0)Tcp. (1)
Сегодня, благодаря достижениям технологии, многие материалы выходят за
рамки приближения грязного сверхпроводника. Для реальных образцов не всегда
обосновано приближение предельно чистого сверхпроводника с »,0, когда Нс2
определяется средней по поверхности Ферми скоростью Ферми < v >:
Т2
Н2 J-- (2)
Наиболее часто реализуется промежуточное соотношение ~^0. Для общего случая связь 1. Р и электронных характеристик имеет более сложный вид. Универсальное для любого отношения \^і выражение можно привести к форме аналогичной соотношению Горькова (1) (см. гл. III диссертации):
R-Hc2-H2~N(0)Tcp, (3)
где R - близкая к 1 функция отношения tji, Н2 определяется выражением (2). Возможности интерпретации результатов измерения 11(-2, Тс и р на основе этого выражения рассматриваются в диссертационной работе для А15 и ВТСП.
Для получения электронных характеристик из (3) с использованием измеряемых параметров Н^, Тс, и р необходимо знать значение чистого слагаемого Н_- Для этого в ряде работ использовались дополнительные данные, например, коэффициент при электронной теплоемкости у или оптические характеристки. В итоге, например, из-за использования разного типа образцов, подходы приводят к введению подгоночного параметра. Это затруднило сравнение результатов с данными независимых экспериментов. Установить величину N(0) и других характеристик только из измерений 1 и единственного дополнительного параметра р не удавалось.
В конкретном случае сверхпроводников А15 задача получения электронных характеристик на основе измерений 1 осложнена необычной чувствительностью величины N(0) к концентрации дефектов в образце. Качественно, накопленные данные укладываются в общепринятую концепцию пика в N(E) вблизи уровня Ферми. Считается, что при размывании пика в результате рассеяния электронов на дефектах величина N(0) А15 изменяется с их концентрацией. Однако в применявшейся модели сферы Ферми не учитывалось изменение средней скорости Ферми из-за размытия реальной поверхности Ферми материала с дефекгами структуры. Вопрос о роли <у2> в изменении 1 образцов А15 с различной степенью дефектности оставался открытым.
Для высокотемпературных сверхпроводников, в частности, Ш^СизОу, систематические исследования, направленные на получение оценки Н~ и величины (/ конкретного образца вообще не проводились.
Дополнительной проблемой при использовании распространенного, благодаря простоте, резистивпого метода измерения НС2(Т) в отношении ВТСП является гигантское уширение перехода в магнитном поле. Это необычное свойство ВТСП является, по-видимому, проявлением термически активированного движения вихрей и сильных флуктуации параметра порядка. В литературе отсутствуют данные, которые бы показали, насколько чувствительно полевое уширение перехода к концентрации дефектов.
7 Исследование этого эффекта сегодня актуально как с точки зрения установления механизма резистивного перехода в магнитном поле, так и с точки зрения правомерности оценок Нс2 из таких измерений.
Анализ накопленных в литературе данных привел нас к выводу, что информацию о взаимосвязи критических и электронных параметров сверхпроводника, получаемую из измеренной температурной зависимости Н^Т), можно значительно пополнить, исследуя дополнительно величину Н^ как функцию концентрации дефектов. Основной, идеей является экспериментальное получение зависимости 1 от р и использование ее параметров для оценки электронных характеристик и их изменения при повышении концентрации дефектов. Эта идея является продолжением разработанного в литературе анализа результатов измерения Нс2(Т) и р отдельного образца.
В диссертационной работе такая задача поставлена для сверхпроводников двух разных классов в виде пленок. Это соединение группы Л15 №>зБп с Тс=17.9 К, имеющее практически изотропную структуру, и резко анизотропные высокотемпературные сверхпроводники УВа2СизС>7 и НоВагСизОу с Тс=91 К.
Актуальность поставленной задачи именно для Nb3Sn определяется тем, что в настоящее время, несмотря на уже накопленный обширный экспериментальный материал по Н^, Д сих П0Р из_за освещенных выше проблем не изучено изменение многих электронных характеристик под действием разупорядочения. В данном случае также представляется возможность рассмотреть влияние особенностей электронной структуры - сложной поверхности Ферми и тонкой структуры плотности электронных состояний - на зависимость 1 от концентрации дефектов.
Для высокотемпературных сверхпроводников экспериментальные данные о характере зависимости Н^ от концентрации дефектов отсутствуют. Получение таких данных и их анализ с позиций теории ГЛАГ интересен в свете вопроса о применимости к ВТСП представлений теории с фотонным механизмом.
Экспериментальное определение НС2(Т) осложнено сильным уширением сверхпроводящего перехода ВТСП материалов в магнитном поле. Этот вопрос должен быть специально рассмотрен и при оценке изменения 1 с концентрацией дефектов из экспериментальных данных, поскольку неизвестно, изменяется ли при этом полевое уширение.
Хотя и для А15 и для ВТСП имеет место нарушение теоремы Андерсона -деградация критической температуры при повышении концентращш дефектов -возможно в этих материалах механизм изменения Тс различен. В этом аспекте представляет интерес рассматриваемый в работе вопрос о том, определяется ли деградация Тс высокотемпературных сверхпроводников изменением N(0).
Основным направлением работы является экспериментальное исследование изменения Ц-2 этих материалов с концентрацией дефектов структуры и анализ результатов на основе теории ГЛАГ. К этому направлению тесно примыкает исследование влияния дефектов структуры на степень уширения резистивного перехода в магнитном поле.
Целью работы является оценка важнейших электронных характеристик, в частности N(0) и
Получены следующие новые результаты, выносимые на защиту.
1. Разработан метод определения важнейших электронных характеристик сверхпроводящего материала на основе измерения зависимости верхнего критического магнитного поля 1 вблизи Тс от концентрации дефектов. В терминах теории ГЛАГ показан линейный характер зависимости НС2 от удельного сопротивления нормального состояния р при низкой концентрации дефектов. Установлена связь параметров этой зависимости с параметрами электронной структуры. Предложен способ определения критического поля чистого предела Н , что позволило избежать использования дополнительных данных.
2. Впервые для молодефектного N03S11 из данных для 1 с единственным
дополнительным параметром удельным сопротивлением получены прямые
оценки среднего по поверхности Ферми квадрата скорости Ферми, плотности
электронных состояний на уровне Ферми, площади поверхности Ферми.
-
Для №>3Sn в широкой области концентраций дефектов получена зависимость ПС2 от р, включая неисследованную ранее область высоких концентраций. Установлено, что резкое отклонение этой зависимости от линейной, как и деградация Тс, определяется снижением плотности электронных состояний. Доказано, что характер аномалии слабо чувствителен к изменению среднего квадрата скорости Ферми. Впервые в результате прямой оценки подтверждено, что площадь поверхности Ферми NbsSn сохраняется при разупорядочепии..
-
В терминах теории ГЛАГ для высокотемпературных сверхпроводников НоВа2СизС>7 и УВа2Сиз07 предложен способ оценки изменения Н ? (в
перпендикулярном слоям магнитном поле) как функции длины свободного пробега электронов, менявшейся в результате облучения пленок энергичными ионами Не++. Обнаружено, что в противоположность формально определенной
по середине перехода величине "Н ^ , истинное критическое поле НЛ, должно
расти с концентрацией радиационных дефектов.
5. Показано, что полученной для ИВа2Сиз07 зависимости Н ,9 от удельного
сопротивления в слоях отвечает низкая и слабо меняющаяся плотность электронных состояний на уровне Ферми. В рамках подхода следует, что в высокотемпературных сверхпроводниках плотность электронных состояний не является параметром, определяющим высокую Тс и ее деградацию при облучении.
6. Впервые обнаружена и исследована чувствительность к облучению степени
ушнрения резистивного перехода ВТСП в магнитном поле. Рассмотрены
возможные механизмы эффекта. Показано, что изменение при облучении
величины "Н^", формально определенной по середине резистивного перехода,
вызвано в основном изменением его полевого уширения.
Практическая ценность. Разработанная методика получения электронных характеристик сверхпроводящих материалов может быть предложена для исследования пленок, неотделимых от подложки, например, тонкопленочных элементов в микроэлектронике, когда методы измерения, приемлемые для массивных материалов, не эффективны.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на XXIV Всесоюзном совещании по физике низких температур (1986, Тбилиси), на международных конференциях International conference on materials and mechanisms of high-temperature superconductors III (1994, Kanazawa) и IV (1995, Grenoble), XXI Internationa] conference on Low Temperature Physics (1996, Prague).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 статей. Главные результаты изложены работах, приведенных в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка цитированной литературы. Материал изложен на 140 страницах, иллюстрируется 51 рисунком и 7 таблицами. Список литературы включает 131 наименование.
