Введение к работе
Актуальность темы: Дискуссия о возможности наблюдения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в сверхпроводниках имеет довольно давнюю историю. Азбель и Лифшиц рассмотрели этот вопрос еще в 1957 году и заключили, что в массивном сверхпроводящем образце наблюдать ЭПР невозможно вследствие значительного уширения резонансной линии неоднородностью магнитного поля внутри образца в сверхпроводящей (СП) фазе.
В 1965 году Каплан прива\ аргументы о возможности наблюдения резонанса на электронах проводимости в гонкой пленке в параллельном поле. В этом случае неоднородность поля должна усредняться быстрым движением электронов между поверхностями пленки.
Де Жен в 1966 году предложил наблюдать ЭПР в вихревой фазе сверхпроводника второго рода в поле близком к верхнему критическому полю НС2- Его оценки вариаций магнитного поля в решетке вихрей Абрикосова для сверхпроводников с большим значением параметра Гинзбурга-Ландау к>> 1 дали значения в несколько десятков эрстед, что уже вполне приемлемо для измерений на частоте 9 ГГц и в резонансном поле около 3 кЭ.
Тем не менее только в 1972 году впервые резонансное поглощение на локализованных магнитных моментах ионов Gd3+ в сверхпроводнике второго рода наблюдалось в лаборатории физики металлов Казанского физико-технического института КФАН СССР Т С.Альтшулер, И.А.Г'арифуллиным и Э.Г.Харахашьяном. В работе сообщалось об измерениях ЭПР на ионах Gd3+ в интерметаллическом соединении Ілзіп на частоте 9.32 Ггц (температура сверхпроводящего перехода Тсо=9К, концентрация гадолиния 0,25 at%).
Эта работа инициировала интенсивные исследования ЭПР в сверхпроводниках экспериментальными группами из Лос-Анджелеса, Западного Берлина, Казани, Женевы и Сан-Пауло, занимавшимися ранее изучением нормальных металлов методом ЭПР. Во всех без исключения экспериментах в качестве ЭПР-зонда использовались ионы редкоземельных элементов, сохраняющие хорошо определенный магнитный момент при сплавлении с исследуемым сверхпроводящим материалом или частичном замещении немагнитного иона в формульной единице интерметаллического соединения. Все изучаемые методом ЭПР сверхпроводящие материалы были сверхпроводниками II рода. До открытия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) было опубликовано более 20 экспериментальных работ, результаты которых быстро попали в обзоры (Orbach et al (1974), Taylor (1975), Barnes (1981)). Эра ВТСП породила- целый поток экспериментальных работ по
ЭПР Г! этих материалах (обзоры Shrivastava (1991), Романюха и др. (1991)), которых мы коснемся ниже с прикладной целью.
В обычных сверхпроводниках, в частности, исследовалась зависимость уширения линии ЭПР от температуры с целью извлечь из нее важные для физики сверхпроводников с примесями параметры: произведение плотности электронных состояний на уровне Ферми на константу обмена локализованных моментов (ЛМ) и электронов проводимости (ЭП); скорость спин-орбитального рассеяния ЭП и т.д. В сверхпроводящей фазе ожидалось температурное поведение ширины линии, подобное поведению ширины линии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В эксперименте, однако, наблюдалось качественно различное поведение - начиная с классического, подобного ЯМР в БКШ сверхпроводниках с когерентным пиком сразу ниже температуры сверхпроводящего перехода Тс (Rettori и др. (1973)) и кончая аномальным скачкообразным сужением резонансной линии (Алексеевский и др. (1973,1977)), которое, как кажется на первый взгляд, совершенно противоречит концепции БКШ о факторах когерентности в сверхпроводниках.
Существовавшая теория ЭПР в сверхпроводниках (Maki (1973), Косов и Кочелаев (1978)) была разработана для бесщелевой фазы сверхпроводимости, для которой нет экспериментальных данных из-за ее чрезвычайной узости по температуре и сильных флуктуации нерезонансной части высокочастотного импеданса вблизи Гс. Отсутствие теории спиновой кинетики локализованных магнитных моментов и электронов проводимости в сверхпроводниках для промежуточных температур Т<ТС, при которых они находится в вихревом состоянии, не позволяло установить систематику наблюдаемых в эксперименте явлений, объяснить аномальной поведение ширины линии ЭПР, поэтому построение теории парамагнитного резонанса в сверхпроводниках представляется актуальным.
Цель диссертации - это построение последовательной теории электронного парамагнитного резонанса в сверхпроводниках, применимой к сверхпроводникам в вихревой фазе в широком интервале температур, и объяснение на ее основе совокупности экспериментальных данных по ЭПР в сверхпроводниках.
Новизна результатов: среди новых результатов, полученных автором в диссертации, наиболее значительными являются следующие:
- получение аналитических выражений для скоростей спиновой релаксации ЛМ и ЭП, справедливые для широкого интервала температур, полей, концентраций магнитных примесей и частот ЭПР; разработка пакета программ для вычисления температурных зависимостей кинетических характеристик сверхпроводника и доведение численных расчетов до сравнения с экспериментом;
- решение задачи об ЭПР в сверхпроводниках при наличии не
однородного уширения линии с произвольной функцией распределе
ния локальных частот прецессии;
- вычисление гамильтониана косвенного обмена Рудермана-
Киттеля в "грязном" трехмерном сверхпроводнике;
- установление элементарного механизма сужения линий маг
нитного резонанса обменным полем в сверхпроводнике, сопровож
дающегося возникновением асимметрии (суженной) линии;
решение задачи об обменном сужении неоднородно уширенных линий ЭПР в сверхпроводнике и обобщение формулы Апдерсона-Вейсса, учитывающее оба механизма обменного сужения: обменными флуктуациями и обменным полем;
решение задачи об обменном сужении диполыюй ширины линий ЭПР в сверхпроводниках; количественное объяснение аномального сужения линии ЭПР на ионах Ег в La при сверхпроводящем переходе;
- установление гетерогенности системы GdyYi-yBa2Cu307-x из
анализа экспериментальных данных по ЭПР на ионах Gd3+
Научно-практическое значение работы заключается в следующем: впервые построена теория ЭПР в сверхпроводниках для диапазона температур, в котором реально выполняются экспериментальные измерения. Получены общие выражения для скоростей релаксации ЛМ и ЭП в сверхпроводнике, подробно описаны методы и процедуры, которые позволяют рассчитать температурные зависимости скоростей релаксации для конкретных магнитных ионов в конкретном сверхпроводнике и для конкретных частот, полей и других условий эксперимента. Репрезентативные расчеты доведены до графиков температурных зависимостей скоростей релаксации и ширины линий, которые могут быть использованы экспериментаторами для интерпретации результатов измерений. Выполнены конкретные расчеты без подгоночных параметров для ЭПР ионов Gd3+ в LaRu2 и электронов проводимости в Nb, которые хорошо согласуются с экспериментом. Даль-нодействующий косвенный обмен в сверхпроводниках с примесями оказался важным для понимания процессов обменного сужения линий ЭПР в сверхпроводящей фазе, а также для физики магнитных сверхпроводников и мультислойных структур со сверхпроводящими слоями. Построенная теория сужения линий ЭПР обменным полем в сверхпроводниках позволила объяснить аномальное сужение линии ЭПР ионов Ег3"1" в сверхпроводящем La и снять, тем самым, противоречие с концепцией когерентных факторов теории БКШ. Накопленный опыт работы с обычными сверхпроводниками позволил оценить из данных ЭПР величину щели в спектре возбуждений системы УВагСизО^-х и
установить гетерогенность этой системы в интервале значений кислородного дефицита х=0.15-S-0.5.
Апробация работы: основные материалы диссертации докладывались на:
Всесоюзной конференции по магнитному резонансу (Казань 1984); Всесоюзных отколах по магнитному резонансу (Таллин 1983, Кобулети 1985, Пермь 1991); Международных конгрессах АМПЕР (Цюрих 1984, Познань 1988); Международной школе АМПЕР (Новосибирск 1987); Всесоюзной конференции "Металлофизика сверхпроводников" (Киев 1986); Всесоюзных совещаниях по проблеме высокотемпературной сверхпроводимости (Свердловск 1987, Харьков 1988, Киев 1989); Всесоюзных конференциях по физике низких температур (Тбилиси 1986, Ленинград 1988, Казань 1992); Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Калинин 1988); Международном семинаре по высокотемпературной сверхпроводимости (Дубна 1989); Рабочем совещании "Магнитные свойства и радиоспектроскопия ВТСП материалов" (Казань 1989); Семинаре ФИАН (Москва, 1989); Сессии АН СССР (Москва, 1990); Семинарах университета Хачеттепе (Анкара, 1994); Семинаре Рурского университета (Бохум, 1995).
Публикации: материалы диссертации опубликованы в 20 журнальных статьях и 16 тезисах и материалах всесоюзных, всероссийских и международных конференций.
Объем и структура работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, перечня результатов, выносимых на защиту, заключения, списка публикаций автора из 36 названий, списка цитированной литературы (142 назв.). Два приложения размещены каждое в конце соответствующей главы. Диссертация напечатана в 1.5 межстрочных интервала, полный объем 231 стр., включая 30 рисунков.
