Введение к работе
Актуальность темы. Интерес к системам, обладающим различными, часто взаимоисключающими, свойствами: проводимостью и диэлектричеством, сверхпроводимостью и магнетизмом, не ослабевает уже в течение нескольких последних десятилетий. Сочетание подобных свойств встречается как в естественных физических системах, так и в искусственно создаваемых из различных фрагментов структурах. К естественным системам, в которых подобные нестандартные проводящие и магнитные характеристики сосуществуют на микромасштабах, принадлежат сильнокоррелированные электронные системы, в частности, высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП). Отличительной чертой таких сильнокоррелированных электронных систем, как сверхпроводящие металлоксиды, является их тенденция к фазовому расслоению, приводящая к сосуществованию магнитных и сверхпроводящих фаз. При этом распределение намагниченности, плотности заряда и ряда других физических характеристик существенно неоднородно. В настоящее время все еще остаются открытыми такие вопросы, как параметры этих распределений, режимы, в которых они существуют, а также их связь с природой сверхпроводимости и магнетизма этих соединений. К классу металлоксидов относится также и натрий-вольфрамовая бронза. Именно натрий-вольфрамовая бронза была первым металлоксидом, в котором впервые была обнаружена сверхпроводимость [1]. Эта система интенсивно изучалась в течение многих лет. В ней обнаружилось много интересных свойств. Что же касается сверхпроводящих свойств, то в ней подозревался нефононный механизм сверхпроводимости. После открытия ВТСП вольфрамовые бронзы незаслуженно остались в тени. Однако в 2000 году Рейхом и Тцаббой в монокристаллах WO3, допированных с поверхности натрием, были обнаружены следы сверхпроводимости при температуре 91 К [2].
К материалам, в которых сочетание различных свойств достигается искусственным образом, относятся разнообразные тонкопленочные
-4-гетероструктуры типа сверхпроводник/ферромагнетик (С/Ф). С середины 90-х
годов особый интерес вызывает изучение взаимодействия ферромагнетизма и
сверхпроводимости в таких системах (эффект близости С/Ф). В этом случае
сверхпроводящее и ферромагнитное состояния разделены в пространстве.
Сверхпроводимость в такой структуре разрушается вследствие
проникновения куперовских пар в Ф-слой, где они подвергаются воздействию
обменного поля. К началу наших исследований никаких систематических
исследований тонкопленочных систем С/Ф кроме разрозненных
экспериментальных результатов и первых попыток их объяснения [3-4]
опубликовано не было.
Целью данной диссертационной работы являлось экспериментальное
исследование различных аспектов сосуществования магнетизма и
сверхпроводимости в сверхпроводящих металлоксидах и тонкопленочных
гетероструктурах С/Ф. Для реализации этой цели были решены следующие
задачи:
-
Детальное изучение ряда металлоксидов, в которых расслоение на магнитные и сверхпроводящие области происходит естественным образом.
-
Исследование тонкопленочных слоистых структур сверхпроводник/ ферромагнетик в которых разделение на магнитные и сверхпроводящие области достигается искусственным путем .
В качестве сверхпроводящих металлоксидов были взяты купрат лантана ЬагСи04+5, в котором образование носителей тока связано с избытком кислорода, и натрий-вольфрамовая бронза NaxW03, концентрация носителей в которой могла изменяться за счет изменения содержания натрия. В качестве тонкопленочных гетероструктур С/Ф были изучены двухслойные системы Nb/Fe и V/Pdi_xFex, трехслойные системы Fe/Nb/Fe, Fe/Pb/Fe и Fe/V/Fe, а также сверхрешетка [Fe2Vn]2o/V.
При исследованиях были использованы разнообразные экспериментальные методы такие, как малоугловое рассеяние рентгеновских лучей, СКВИД-магнитометрия (SQUID - Superconducting
-5-Quantum Interference Device), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и
ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Температура сверхпроводящего
перехода определялась по изменению электросопротивления на постоянном
токе, а также методом высокочастотной магнитной восприимчивости.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
-
Обнаружение, при исследовании керамических образцов ЬагСи04+5, содержащих сверхстехиометрический кислород, четырех сверхпроводящих фаз с Тс ~ 45, 15, 30 и 20 К, различающихся особенностями распределения сверхстехиометрического кислорода в кристаллической решетке, а также обнаружение ферромагнитно-упорядоченных областей.
-
Обнаружение, при измерении магнитной восприимчивости, ЭПР и ЯМР, в образцах NaxW03 сверхпроводящего состава низкочастотных спиновых флуктуации антиферромагнитного характера. Вывод о том, что сверхпроводимость в этой системе определяется концентрацией носителей тока, а не кристаллической структурой образцов. Обнаружение в монокристаллах NaxW03 при малом содержании натрия магнитной аномалии при Т ~ 150 К, которая может быть связана с возникновением сверхпроводящих флуктуации в микро областях образца. Полученные данные указывают на то, что натрий-вольфрамовые бронзы могут быть включены в класс ВТСП оксидов.
-
Результаты исследования эффекта близости С/Ф в тонкопленочных гетероструктурах Nb/Fe, Pb/Fe и V/Fe, свидетельствующие о том, что прозрачность границы раздела С/Ф может быть ограничена для куперовских пар вследствие:
а) образования промежуточного слоя на границе из-за взаимной
диффузии материалов, находящихся в контакте (Nb/Fe),
б) слабой гибридизации зон проводимости этих материалов (Pb/Fe),
в) обменного расщепления зоны проводимости ферромагнетика (Nb/Fe, Pb/Fe и V/Fe).
-
Результаты изучения эффекта близости в системах Pb/Fe и V/Fe, указывающие на реализацию в Ф-слое сверхпроводящего состояния с ненулевым суммарным импульсом куперовских пар, подобного состоянию Ларкина-Овчинникова-Фульде-Феррела. Как следствие этого, в частности, в системе Fe/V/Fe наблюдалась возвратная сверхпроводимость, когда с увеличением толщины Ф-слоя сверхпроводимость сначала исчезала, а потом появлялась вновь при больших толщинах Ф-слоя.
-
Результаты исследования ферромагнитного резонанса в образцах V/Pdi.xFeXj из которых следует, что при определенных параметрах системы под воздействием сверхпроводимости ферромагнитный порядок в слое Pdi-xFex может смениться криптоферромагнитным.
-
Разработка и создание оригинального сверхвысокочувствительного криогенного стационарного спектрометра ЯМР, позволившего впервые обнаружить эффект спинового экранирования в тонкопленочных слоистых системах С/Ф.
-
Результаты изучения эффекта близости С/Ф в системах Fe/Cr/V/Cr/Fe, Fe/In/Fe и [Fe2Vn]2o/V, из которых сделан вывод о том, что наиболее перспективной комбинацией материалов для создания спинового клапана для сверхпроводящего тока, основанного на эффекте близости С/Ф, является пара In/Fe.
Научная новизна. В ходе выполнения исследований был получен ряд
существенно новых результатов.
1. В керамических образцах ЬагСи04+5 выявлено существование четырех фаз с температурами сверхпроводящего перехода Тс ~ 45, 15, 30 и 20 К, различающихся распределением сверхстехиометрического кислорода.
2. В натрий-вольфрамовой бронзе сверхпроводящего состава обнаружены
низкочастотные спиновые флуктуации антиферромагнитного характера.
-
Впервые обнаружена сверхпроводимость в образцах натрий-вольфрамовой бронзы с кубической структурой при малом содержании натрия.
-
При исследовании образцов NaxW03 с минимально достижимым содержанием натрия (х ~ 0.14) обнаружена магнитная аномалия, которая может быть связана с возникновением сверхпроводящих флуктуации при Т -150 К.
-
Показано, что немонотонная зависимость Тс от толщины слоев железа в тонкопленочной системе Nb/Fe обусловлена наличием «мертвого» в магнитном отношении промежуточного слоя на границе Nb/Fe, образованного в результате взаимной диффузии ионов Nb и Fe через интерфейс.
-
Детальный анализ немонотонной зависимости Tc(dpe) в системе Fe/Pb/Fe с минимумом вблизи значения dpe порядка половины глубины проникновения куперовских пар в Ф-слой, а также наблюдение возвратной сверхпроводимости в пленках Fe/V/Fe позволили заключить, что оба эффекта вызваны реализацией состояния ЛОФФ.
-
На основании данных ФМР в двухслойных эпитаксиальных пленках V/Pdi-xFex сделан вывод о том, что уменьшение намагниченности слоя Pdi-xFex ниже Тс вызвано переходом этого слоя из ферромагнитного в криптоферромагнитное состояние.
-
Показано, что метод низкоэнергетических мюонов, в принципе, может быть использован для изучения «обратного» эффекта близости С/Ф.
-
Благодаря разработке уникального по чувствительности спектрометра ЯМР, впервые экспериментально наблюдался «обратный» эффект близости С/Ф
10.Исследован эффект близости С/Ф в системах Fe/Cr/V/Cr/Fe, Fe/In/Fe и [Fe2Vn]2o- Проанализированы перспективы той или иной системы в реализации полного эффекта спинового клапана или, другими словами,
-8-полного переключения конструкции из нормального состояния в
сверхпроводящее при изменении взаимной ориентации намагниченностей
Ф-слоев.
Научно-практическая значимость работы.
Полученные данные по гетерогенности систем YBa2Cu307-5 и La2Cu04+5 позволяют составить более полное представление о фазовом расслоении в ВТСП системах, в которых возникновение сверхпроводимости определяется содержанием кислорода.
Результаты исследования металлоксидной системы NaxW03 дают основание отнести ее к классу ВТСП-систем. Обнаружение сверхпроводящих флуктуации при Т ~ 150 К в натрий-вольфрамовой бронзе с низким содержанием натрия позволяют считать эту систему перспективной для поиска новых высокотемпературных сверхпроводников.
Разработана методика исследования методом ЯМР свойств сверхпроводящего состояния вблизи границы раздела сверхпроводник/ ферромагнетик.
Полученные результаты исследований тонкопленочных систем С/Ф могут быть использованы при создании спинового клапана для сверхпроводящего тока Апробация работы
XXI International conference on Low Temperature Physics (LT21) Prague August 8-14 1996; 4-th international conference " Material and Mechanism ) Supeconductivity: High-Temperature Superconductors" (M2S-V) Beijing Feb.28 - Mar.4 1997; Symposium on Metallic ultilayers, June 24.29, 2001 Eurocongress, Aachen, Germany; 33 СОВЕЩАНИЕ ПО ФИЗИКЕ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР, Екатеринбург, 17-20 июня 2003 г.; Conference "Nanoscale properties of condensed matter probed by resonance phenomena NanoRes-2004 ", 15-19 August 2004 г., Kazan ; 9-th International meeting: Order, Disorder and Properties of Oxides, 19-23 September 2006, Rostov-on-Don - Loo, Russia; 34-oe совещание по физике низких температур (HT-34), 26-30 сентября 2006
-9-г., Ростов-на-Дону - п. Лоо; Порядок, беспорядок и свойства оксидов. 10-й
международный симпозиум, 12-17 сентября 2007 г., Ростов-на-Дону-пос.
Лоо; EUROMAR magnetic resonance conference " (Санкт-Петербург 2008 г.
6-11 July); Международный симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника»,
Нижний Новгород, 16-20 марта 2009 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 33 работах. Из них 32 статьи в центральных отечественных и зарубежных журналах; 1 статья в сборнике научных трудов.
Вклад автора диссертации
Работа выполнена согласно планам научно исследовательских работ Казанского физико-технического института. Отдельные этапы проводились в рамках: Государственной программы по высокотемпературной сверхпроводимости: Проект №91151, программы ОФН РАН «Спин-зависимые эффекты в твердых телах и спинтроника» и «Спиновые явления в твердотельных наноструктурах и спинтроника»; проектов РФФИ №96-02-16332, №99-02-17393, №02-02-16688, №05-02-17198 и №08-02-00098; совместных проектов между DFG и РАН: DFG-ZA161/6-1, DFG-ZA161/6-2, DFG-ZA161/16-1, DFG #436 RUS 113/936/0-1; Russian-German exchange program "Physics of Novel Materials"; Russian-German joint project on the topic "Advanced Materials with Collective Electronic Phenomena".
В исследованиях сверхпроводящих металлоксидов, представленных в диссертации, автор играл доминирующую и активную роль, как на стадии постановки задачи, так и на стадии ее реализации. Стратегия выбора образцов, их непосредственный синтез и практически проведение всех измерений также принадлежат автору. Автором была разработана методика последовательного удаления кислорода в металлоксидах и диффузионный способ синтеза образцов натрий-вольфрамовой бронзы с кубической структурой с малым содержанием натрия. В исследовании мультислойных систем ему принадлежит
-10-определяющая роль в разработке методического подхода к достижению
поставленных целей. Ему полностью принадлежит разработка и изготовление
оригинальной аппаратуры, которая во многом определила достижение
намеченных целей. Это касается созданных автором СКВИД-магнетометра, с
помощью которого стало возможно непосредственно получить информацию о
магнитных свойствах исследуемых наноструктур и уникального криогенного
стационарного спектрометра ЯМР, чувствительность которого позволила
наблюдать эффект спинового экранирования в сверхпроводящем слое порядка
нескольких сотен ангстрем. Автору принадлежит большинство методик
экспериментов, а также их непосредственное проведение, обработка и анализ.
В части исследований принимали участие иностранные коллеги. Профессора
X. Цабель и К. Вестерхольт участвовали в формулировании задач совместных
проектов. Доктор К. Тейз-Брёль и аспираты Рурского университета Т. Мюге и
Л. Лазар занимались приготовлением тонкопленочных структур.
Приготовление партии сверхрешеток Fe/V было осуществлено доктором Р.
Брукасом в Университете г. Упсала (Швеция).
Доктора физико-математических наук Г.Г. Халиуллин, Г.Б. Тейтельбаум
и Л.Р. Тагиров развивали теоретическую основу экспериментальных
исследований. Аспиранты лаборатории физики перспективных материалов
В.Ю. Марамзин, Д.А. Тихонов, М.З. Фаттахов и Р.И. Салихов проводили
эксперименты в КФТИ под непосредственным руководством автора. Е.Л.
Вавилова проводила исследования ЯКР. Ю.В. Горюнов участвовал в
отработке методики приготовления тонкопленочных гетероструктур.
Наиболее значительным его вкладом является обнаружение возвратной
сверхпроводимости в системе Fe/V/Fe. Полученный им результат служит
дополнением к данным автора, что специально отмечено в представленной
диссертации. С.Я Хлебников проводил низкотемпературные ( Не) измерения
транспортных характеристик.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации составляет 311 страниц, включая 7 таблиц и 99 рисунков. В конце диссертации приведен список публикаций автора из 33 наименований и список цитированной литературы из 204 наименований.
