Введение к работе
Актуальность проблемы
В 1986 году швейцарские физики К. А. Мюллер и И. Г. Беднорц обнаружили явление сверхпроводимости в соединении Ba-La-Cu-О при температуре около 35К . В последующих экспериментальных исследованиях было показано, что температура перехода в сверхпроводящее состояние Тс для соединения Y-Ba-Cu-О составляет Тс к ЭОЛ". К настоящему времени для соединений типа HgBa2Can_1Cun02n+2+« [п > 3) в условиях высокого давления обнаружена величина Тс и 160/^. Кроме высокой критической температуры, для медно-оксидных соеди-ієний были выявлены другие, аномальные с точки зрения традицион-юй сверхпроводимости свойства, малая длина когерентности, высокие сритические магнитные поля, квазидвумерный характер электронных зойств. Явление сверхпроводимости в купратах реализуется при низ-;их значениях плотности носителей, при сильной зависимости всех войств этих соединений от их концентрации
Попытки теоретического объяснения многочисленных эксперименталь-:ьїх свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) привели возникновению большого числа моделей. Это в первую очередь мо-ели, в которых учитывается сильное кулоновское отталкивание на узлах еди. Исследование сверхпроводящих корреляций в таких моделях без чета дополнительного взаимодействия с притяжением не дает убеди-зльного ответа на вопрос о реальном механизме спаривания и высоких эмпературах перехода в сверхпроводящее состояние в этих соедине-
ниях. Другую группу составляют теории, в которых рассматривается сильное взаимодействие электронов (дырок) с некоторой бозонной подсистемой. В качестве бозонной подсистемы могут выступать фононы, магноны, плазмоны, экситоны. Спаривание между электронами (дырками) в данном случае осуществляется за счет обмена такими бозонами. В то же время, как показали многочисленные исследования, объяснить все свойства ВТСП в рамках одного подхода не представляется возможным, и вызывают интерес модели, в которых учитывается как сильное кулоновское отталкивание между носителями, так и притяжение, обусловленное взаимодействием с бозонами. Одним из теоретических направлений в изучении свойств ВТСП является исследование роли фоно-нов в этих соединениях и их влияние на сверхпроводящие свойства. О важной роли фононной подсистемы свидетельствуют следующие факты:
-
Исследования сдвига фононных частот и их уширения при переходе в сверхпроводящее состояние в соединениях RBCO указывают нг появление щели в спектре квазичастиц со значением 2А/кТс « 5.
-
Во всех купратах обнаружены локальные структурные искаженш в кислородной подрешетке при переходе в сверхпроводящее состояние, что также свидетельствует о сильном электрон-фононном взаимодействии.
-
Наличие эффекта Фано в соединениях LSCO и YBCO свидетель ствует о сильной связи некоторых оптических мод с носителями за ряда.
Таким образом, изложенное выше указывает на то, что, наряду с
ільннми кулоновскими корреляциями, учет электрон-фононного взаи-
одсйствия представляется важным при разработке механизма ВТСП.
дним из наиболее ярких проявлений взаимосвязи решеточной неустой-
иоети с электронной подсистемой является корреляция между тем-
>ратурой сверхпроводящего перехода Тс и структурой в соединениях
г2_гМхСиС)4 (LMCO) где M=Ba,Sr,Ca . В данном классе соедине-
ій наблюдается последовательность структурных фазовых переходов
^ФП) из высокотемперату]шой тетрагональной фазы (Т, M/mmm)
низкотемпературную орторомбическую 01 (Bmab) и низкотемпера-
рную тетрагональную НТТ (РА-^/пст) фазы. Имеется промежуточ-
>я орторомбическая фаза с симметрией 02 (Рссп). В экспериментах
неупругому рассеянию нейтронов было показано, что данные СФП
условлены конденсацией мягкой ротационной моды типа "качания" в
чкс X зоны Бриллюэна для двухлучевой звезды с волновыми векто-
ми k.v(l,2) = (7г/п,)(±1,1,0) и жестким вращением октаэдров СиО<;
круг осей [1,1,0] и [-1,1,0].
При СФП в Р ^/пап фазу наблюдается резкое подавление Тс в сое-нении La2_JBaICii0.i при г. = 1/8. Кроме того, в соединении a-x-yNdySr^CuO,! была обнаружена прямая зависимость между СФП Тс. Принимая во внимание указанные экспериментальные данные», ідстельствующие о корреляции между температурой перехода в ('верховодящее состояние и структурой в LMCO соединениях, представля-я важным теоретическое описание СФП в данном классе соединений.
Цель диссертации
Целью диссертационной работы являлось:
-
Построение микроскопической ангармонической модели динамик решетки соединений Ьа2-гМгСи04, относящихся к классу высокс температурных сверхпроводников.
-
Описание последовательности СФП 14/ттт — ВтаЬ — P\ijnc, в данном соединении на основе развитой самосогласованной теорш
-
Изучение влияния СФП на температуру сверхпроводящего пер< хода Тс.
-
Исследование возможности проявления неэргодического (стеклопс добного) поведения в купрате лантана вблизи СФП
IA/mrnm —у ВтпаЪ в рамках самосогласованной теории взаимодеї ствующих мод.
Научная новизна
В рамках метода самосогласованных фононов на основе микроскопич( ского гамильтониана получена самосогласованная система уравнени для описания СФП /4/mram —> Bmab — РАъ/пст в LMCO соедине ниях. Получены зависимости частот мягкой моды от температуры, кс торые качественно совпадают с экспериментально наблюдаемыми крк выми. Получено и проанализировано выражение для свободной энерги системы. Показано, что симметрия низкотемпературной фазы опредс ляется величинами модельных, ангармонических констант, входящих свободную энергию.
Впервые в рамках эффективной модели электрон-фононного взаимодействия с учетом СФП получена зависимость Тс от концентрации носителей заряда п в НТТ фазе, где наблюдалось резкое падение Тс при половинном заполнении эффективной кислородной зоны (п « 2). Впервые исследована возможность проявления неэргодического поведения, как критерия возникновения структурных аномалий, в соединениях ЬагСиС^. Получены численные оценки температурной области существования неэргодического поведения.
Научная и практическая значимость работы
Использование представления локальных нормальных координат и вариационного принципа Боголюбова позволяют получить спектр физических характеристик (температура СФП,собственные частоты мод н.т.д) для описания СФП, обусловленных ротационными модами, в пе-ровскитоподобных соединениях. Приведенный в диссертации формализм может быть применен для изучения электрон-фононного взаимодействия в системах со структурной неустойчивостью. Кроме того, тредложенный подход может быть важен при изучении стеклоподобного іоведения в перовскитах. Основные положения, выносимые на защиту
1. Разработана микроскопическая ангармоническая модель динамики решетки соединений Ьа2_гМгСи04 для описания моды типа "качания" и ее взаимодействие с деформациями. Используя представление локальной нормальной координаты (ЛНК) и метод самосогласованных фононов, вычислена свободная энергия системы. Получены
равновесные значения параметров порядка и равновесные деформации на основании вариационного подхода для свободной энергии, а также собственные частоты мягкой моды в Т,0 и НТТ фазах.
-
Получена самосогласованная система уравнений, позволяющая описать структурные фазовые переходы: 14/ттт —> ВтаЬ —* РАъ/псг, в соединении LMCO. Анализ модельного выражения для свободной энергии показал, что переход в О или НТТ фазу зависит от величин параметров энгармонизма, деформационных констант связи, а также коэффициентов жесткости, входящих в уравнение для свободной энергии, которые, в свою очередь, сильно зависят от концентрации примесей.
-
На основе самосогласованной системы уравнений получены зависимости частоты мягкой моды от температуры для всех структурных модификаций.
-
На основе эффективной двухзонной электрон-фононной модели для соединений La2-a;MICu04, а также микроскопической ангармонической модели была оценена температура сверхпроводящего перехода Тс в Т,0 и НТТ фазах в зависимости от концентрации дырок п на кислородных 02pff орбиталях. Провал Тс при половинном заполнении (n ~ 2) был получен для НТТ фазы, и объясняется расщеплением двух кислородных зон при переходе системы в даннук структурную фазу. Результаты вычислений качественно согласуются с экспериментами.
-
В рамках ангармонической модели мягкой ротационной моды рас
считана зависимость параметра неэргодичности от температуры для соединения ЬагСи04. Численные значения параметров модели определялись исходя из двух теоретических подходов: приближения локальной плотности и определения энергии Маделунга. Получены оценки величины интервала существования центрального пика выше точки СФП.
Апробация работы
1атериалы, представленные в диссертации, докладывались на семина-ах в Лаборатории теоретической физики им. Боголюбова ОИЯИ, а акже III Международной конференции по ВТСП (г.Каназава. 22-26 юля, 1991 г. Япония), на 29 Совещании по физике низких температур гСазань, 1992 г.), Международной конференции "Решеточные эффекты ВТСП" (Санта-Фе, 1992 г. США), Международном симпозиуме "Фо-уы по новым материалам" (Флоренция, 1994 г. Италия). Основные сзультаты диссертации опубликованы в работах [1-6].
Объем и структура диссертации
иссертационная работа состоит из введения, четырех глав, прило-вния, заключения, а также списка цитируемой литературы. Общий »ъем диссертации - 70 страниц машинописного текста, в том числе 13 ісунков и две таблицы.
