Квазичастичное туннелирование в с-направлении в одиночных и стопочных ВТСП-контактах Чонг Сун Хи

Введение к работе

Актуальность темы.

Высокотемпературные сверхпроводники ( ВТСП ), обладающие сложной кристаллической структурой, являются исключительно трудным объектом для исследований. В то же время эти материалы, благодаря уникальности их свойств, представляют огромный интерес как для физики конденсированного состояния , так и для прикладной физики. Круг потенциальных технических применений ВТСП очень широк, однако возможность объективного прогнозирования затрудняется скудностью и противоречивостью экспериментальной информации о физических свойствах ВТСП - материалов.

Многофазность ВТСП, их склонность к дефектообразованию и сильная анизотропия физических свойств настолько затрудняют расшифровку результатов физических экспериментов, что сейчас трудно указать группу приоритетных экспериментальных методов, которые бы позволили решить однозначным образом основную проблему, связанную с высокотемпературной сверхпроводимостью : каков механизм спаривания сверхпроводящих электронов в ВТСП - материалах ? В то же время систематически растет число теоретических моделей, претендующих на описание ВТСП - сверхпроводимости.

К моделям, базирующимся на традиционном s-симметрийпом спаривании (нулевой суммарный орбитальный момент куперовской пары), следует отнести, в первую очередь, "сценарий" с сильным электрон-фононным взаимодействием и "сценарий" с протяженной особенностью ван Хова вблизи уровня Ферми. В случае сильного электрон-фоношгого взаимодействия ожидается заметная перенормировка квазичастичной плотности состояний, близкая к ступенчатой температурная зависимость щели Д(Т) и кубический рост с температурой параметра затухания Г(Т) = h / х(Т). "Сценарий" с протяженной особенностью ван Хова допускает возможность слабого электрон-фоношюго взаимодействия и , как следствие, во многом соответствует простой БКШ - модели . Характерной особенностью "сценария" с протяженной особенностью ван Хова является существование

заметного вклада в процессы рассеяния квазичастиц от электрон -электронных взаимодействий, что должно привести к линейному росту параметра размытия Г с температурой.

В случае d-симметрийной сверхпроводимости ( суммарный орбитальный момент пары 1 = 2) механизмы спаривания носят "экзотический" характер. Ожидается, что угловая зависимость щелевого параметра Д(0) будет иметь сложный вид (зануления щели при определенных направлениях в k-лространстве), что в случае явлений, связанных с усреднением по направлению, должно фактически соответствовать бсещелсвой сверхпроводимости.

Нетрудно убедиться, что перечисленные выше особенности различных теоретических моделей, описывающих ВТСП - сверхпроводимость, отражаются самым прямым образом на характере туннельного эффекта в S-I-S - структурах на базе ВТСП. Туннельный эффект является одним из наиболее прямых методов получения температурных зависимостей щели Д(Т) и параметра затухания Г(Т) в исследуемом сверхпроводнике. К сожалению, качество вольт - амперных характеристик (ВАХ) ВТСП -контактов оставляет желать лучшего из-за трудности получения резких S-I-шперфейсов и тонких барьеров.

В работах [1,2] было показано, что при туннслировании квазичастиц в с -направлении в симметричном S-I-S контакте на базе высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) с чисто d - симметрийным спариванием щелевая структура на ВАХ должна быть сильно размыта. Этот результат является прямым следствием анизотропии щелевого параметра А в СиС>2 - плоскости , где и сосредоточены 2D - сверхпроводящие носители заряда [3 ] . В зависимости от использованного авторами приближения ( сферическая поверхность Ферми, цилиндрическая поверхность Ферми или отсутствие дисперсии в с - направлении ) квазичастичная ветвь ВАХ при j || с несколько меняется [ 1,2 ], однако в качественном отношении размытый характер щелевой особенности на I(V) - характеристике сохраняется даже в случае большого времени жизни квазичастиц.

В случае S-I-S контакта на базе s - симметрийного классического сверхпроводника, в котором А не зависит от направления волнового вектора, при Т « Т_с и больших временах жизни т квазичастичный ток меняется незначительно вплоть до смещения Vg = 2А/е, а затем резко возрастает, приближаясь к омической ВАХ, соответствующей Т > Т_с [ 4, 5 ].

Качественное различие квазичастичных ветвей ВАХ в двух вышеупомянутых случаях ( в режиме j || с ) может быть использовано для экспериментальной проверки симметрии спаривания в ВТСП материалах [1, 2] ( отметим, что измерения этото типа не являются фазочувствительными ). Проведенные ранее подробные измерения сверхтока в с - направлении в джозефсоковских контактах УВа₂Сиз07 - РЬ, чувствительные к фазе волновой функции, однозначно показали, что симметрия спаривания в ВТСП не можег быть отнесена к чисто d _Х2-у2 " типу [6,7 ].

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании щелевой структуры на ВАХ одиночных и стопочных туннельных контактов, сформированных на криогенных сколах в пластинчатых монокристаллах и вискерах Bi-Sr-Ca-Cu-O при токе в с - направлении. Полученные в работе результаты были использованы для проверки предсказаний теории [1, 2], базирующейся на модели чисто d - симметрийного спаривания в ВТСП.

В работе проводились следующие исследования:

1. измерения I(V)- и dI(V)/dV- характеристик контактов на микротрещине в пластинчатых монокристаллах и вискерах Bi-Sr-Ca-Cu-O при токе в с - направлении в режиме одиночного контакта в интервале температур от Т = 4.2 К до критической температуры Т_с ,

2. измерения 1(V)- и dI(V)/dV- характеристик контактов на микротрещине в пластинчатых монокристаллах и вискерах Bi-Sr-Ca-Cu-O при токе в с - направлении в режиме стопки S-I-S - контактов в широком температурном интервале.

Результаты измерений использовались для решения следующих задач:

3. определения отношения 2Д/кТ_с у исследованных Bt-Sr-Ca-Cu-O -контактов при }_туХІ || с, в условиях, близких к равновесным,

4. определения формы щелевой особенности на ВАХ исследованных Bi-Sr-Ca-Cu-O - контактов при j_lyH [| с, в условиях, близких к равновесным,

5. определения температурных зависимостей щелевого параметра Д(Т) и параметра затухания Г(Т) у исследованных Bi-Sr-Ca-Cu-O - образцов,

4) установления характера влияния инжекции неравновесных
квачичастш(, разогрева и разрушения сверхпроводимости в берегах контакта
на форму ВЛХ Bi-Sr-Ca-Cu-O - контактов.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1) установлено, что при гелиевой температуре форма
экспериментальных ВАХ стопочных контактов на базе Bi-Sr-Ca-Cu-O -
вискеров при токе в с - направлении находится в явном противоречии с
теоретическими предсказаниями fl, 2] для случая S-I-S ВТСП -контактов
(j, || с) па базе чисто d - симмстрийішх сверхпроводников и указывает на
существенный вклад s - спаривания в симметрию параметра порядка,

2. установлено, что у исследованных Bi-Sr-Ca-Cu-O - образцов в равновесной ситуации отношение 2Д/кТ_с в широком интервале критических температур Т_с составляет 7 ± 0,5 ,

3. обнаружено, что температурная зависимость параметра затухания Г(Т) у исследованных Bi-Sr-Ca-Cu-O - контактов близка к кубической, что, в принципе, является характерным признаком сильного электрон - фононного взаимодействия f 8 ],

4. обнаружена, что при больших плотностях тока через исследованные контакты инжекщш неравновесных квазичастиц, разогрев и разрушение сверхпроводимости в берегах контакта приводят к существенному искажению формы ВАХ.

Автор защищает:

1) вывод о смешанном характере симметрии параметра порядка в Bi-Sr-Ca-Cu-O,

5. новые данные о зависимости отношения 2Д/кТ_с от критической температуры Т_с у высокотемпературного сверхпроводника Bi-Sr-Ca-Cu-O,

6. новые данные о температурных зависимостях параметра затухания Г(Т) и щелевого параметра А(Т) у Bi-Sr-Ca-Cu-O.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что п ней получены ВАХ Bi-Sr-Ca-Cu-O - контактов с вертикальным ростом тока при щелевом смещении в условиях, близких к равновесным (j,, || с, Т = 4,2 К). В качественном отношении эти ВАХ близки к ВАХ ниобиевых контактов и могут найти практическое применение при создании гетеродинных приемников микроволнового излучеїшя и детекторов элементарных частиц.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях:

1. The 7^th International Symposium on Superconductors, ISS'94, Japan, 1994,

2. International Conference on Physics and Chemistry of Molecular and Oxide Superconductors, Karlsruhe, Germany, August 2-6, 1996.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, список которых приведен в автореферате.

Структура я объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и содержит i\-f- страниц машинописного текста, Ьс рисунка, 2. таблицы ичашеок цитируемой литературы из наименований.