Сверхпроводники

Новый безмедный сверхпроводник K-Bi-O
Хорошо известно семейство сверхпроводящих соединений BaBi(Pb)O₃ . Все эти сверхпроводники являются "четверными": Ba-Pb-Bi-O или Ba-K-Bi-O. В Японии (ISTEC, Токио) путем синтеза при высоком давлении впервые получили тройной сверхпроводник K_1-x Bi_1+x O₃ [N.R.Khasanova et al ., Physica C 305 (1998) 275]. Величина T_c составляет около 10К при 0? x? 0.1 и почти не зависит от x в этом диапазоне, а увеличение x >0.1 ведет к потере сверхпроводимости. По данным рентгеновской и электронной дифракции кристаллическая структура представляет собой кубический перовскит.

Ревизия симметрии параметра порядка в "электронных" ВТСП
Большинство (хотя и не все) экспериментальных данных говорит о том, что в ВТСП с дырочным типом проводимости параметр сверхпроводящего порядка D имеет d -волновую симметрию. Таких ВТСП подавляющее большинство (YBa₂ Cu₃ O₇ ,
La_2-x Sr_x CuO₄ , Bi₂ Sr₂ CaCu₂ O₈ и т.д.). Что касается немногочисленных известных на сегодня ВТСП с электронным типом проводимости, наиболее изученным из которых является Nd_2-x Ce_x CuO₄ , то долгое время считалось, что в них D имеет s -волновую симметрию.

Группа японских физиков из Nagoya University, Tohoku University и Japan Science and Technology Corporation выполнила исследования квазичастичных спектров возбуждений в монокристаллах
Nd_2-x Ce_x CuO₄ методом STM/STS [1]. Полученные результаты показали, что D не только анизотропен в импульсном пространстве, но и имеет
d -волновую симметрию. Авторы [1] обсуждают, тип этой симметрии – d_xy -волна или d_x 2_-y 2 -волна – и склоняются в пользу последней.

[1] F.Hayashi et al., J. Phys. Soc. Jap., 1998, 67 , p.3234

Сверхпроводимость Tl_1.8 Ba_2.0 Ca_2.6 Cu_3.0 O_10+d в морозную погоду при высоком давлении
Известно, что критическая температура T_c большинства ВТСП увеличивается под давлением, достигая рекордной величины T_c” 160К в HgBa₂ Ca₂ Cu₃ O_x при P” 30ГПа. Недавно появилось сообщение [1] об аномальном росте T_c поликристаллических образцов ВТСП Tl_1.8 Ba_2.0 Ca_2.6 Cu_3.0 O_10+d при P” 5ГПа. Авторы [1] обнаружили, что T_c быстро увеличивается с ростом P от своего начального значения T_c =129К при P =0 и достигает величины T_c =255К (обычная для русской зимы температура!) при P =4.3ГПа. Вот только T_c , измеренная в [1], к сожалению, представляет собой не температуру нулевого сопротивления, а лишь температуру начала уменьшения (хотя и очень резкого) R (T ) при охлаждении образца. Заметим, что статья [1] представляет собой своеобразный "интернациональный винегрет": она написана китайскими физиками на английском языке и опубликована в украинском журнале.

[1] C.Y.Han et al., ФНТ, 1998, 24 , p.305

Завершена сборка магнитной системы RHIC (Brookhaven)
1800 сверхпроводящих магнитов установлены и частично испытаны в единой магнитной системе коллайдера тяжелых релятивистских ионов (RHIC). На их изготовление потребовались 21млн. метров сверхпроводящего проводника и 900 тысяч часов рабочего времени. Планируется, что первый испытательный “пуск” пучка ионов будет произведен в марте 1999 года, а в июле ожидаются эксперименты по первому столкновению пучков. Поставщиком первичного пучка ионов для RHIC станет старейший брукхэвенский синхротрон (AGS), построенный еще в 1960 году.

CERN Courier, December 1998

Сверхпроводящий фильтр
Ученые International Superconductivity Technology Center (Tokyo) совместно с NEC Corp. (Tokyo) разработали ВТСП фильтр для использования в спутниковых системах связи и на базовых станциях сотовых телефонов. В процессе разработки преодолена проблема, стоявшая перед такими фильтрами. Прежние конструкции ВТСП фильтров не совместимы с высокими уровнями мощности, характерными для систем космической связи. ВТСП фильтр, анонсированный ф. NEC, выдерживает в 10 раз более высокие уровни мощности в сравнении с другими ВТСП фильтрами.

Контакт:
G. Pindoria, e-mail: mailto:govind@inJapan

Гигантский изотоп-эффект в сверхпроводнике La_2-x Sr_x CuO₄
Лантановая керамика уже принесла Alex’у Muller’у нобелевскую премию. И вот – новый подарок. Muller с соавторами обнаружил в сверхпроводнике La_2-x Sr_x CuO₄ гигантский изотоп-эффект.

Две группы экспериментаторов, возглавляемые A.Bianconi (Римский университет) и K.A.Muller’ом (Цюрихский университет) исследовали структуру спектральных линий в La_1.94 Sr_0.06 CuO₄ вблизи края рентгеновского поглощения (методом XANES, чувствительным к локальным искажениям кислородного окружения атомов меди). Эксперименты проводились на источнике синхротронного излучения в Гренобле.

Вид спектра определяется статистическим распределением “мгновенных фотографий” кристаллической решетки (с характерным временем 10^-15 с) на масштабах порядка 5A. В эксперименте для образца La_2-x Sr_x CuO₄ ниже некоторой температуры Т* форма спектральных линий резко изменялась, что авторы связывают с замораживанием флуктуаций и возникновением поляронного упорядочения типа полос (lattice-charge stripes). При замене ¹⁶ O на ¹⁸ O температура Т* возрастает со 110К до 170К. При этом изотоп-эффект для температуры сверхпроводящего перехода Т_с гораздо меньше и другого знака: для образца с ¹⁶ O Т_с ”8К, а у образца с ¹⁸ O Т_с примерно на 1К ниже. Столь огромный изотопический сдвиг температуры Т* авторы объясняют важной ролью поляронных эффектов в образовании полос. Такая интерпретация накладывает определенные ограничения на возможные микроскопические механизмы, ответственные за возникновение, как полосчатой структуры, так и сверхпроводящего состояния.
xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/9812425, версия от 5.01.99

Верхнее критическое поле борокарбида YNi₂ B₂ C
Измерения верхнего критического поля H_c2 в сверхпроводниках осложняются наличием “паразитного” парамагнитного сигнала, обусловленного несовершенством образца (наличием областей нормальной фазы). Поэтому в ходе экспериментов по определению H_c2 (T) в борокарбиде YNi₂ B₂ C группа американских и южнокорейских физиков уделила особое внимание качеству исследованных ими монокристаллов [M.-O.Mun et al ., Physica C 303 (1998) 57]. Им удалось понизить парамагнитный сигнал до уровня 10% от минимального приводимого в литературе и получить таким образом более достоверные значения H_c2 . Оказалось, что во всем изученном диапазоне температур 9K < T < T_c ” 15K (0 < H_c2 < 3Тл) зависимость H_c2 (T ) имеет положительную кривизну . Иными словами, скорость роста H_c2 при понижении температуры увеличивается, а признаки выхода H_c2 на константу при T ® 0 отсутствуют. Интересно, что точно такой же вид кривая H_c2 (T ) имеет и в “overdoped” ВТСП. Это “совпадение” может быть следствием сходства механизмов сверхпроводимости борокарбидов и ВТСП.

Легированная Си-О плоскость: еще одна попытка описать основное состояние Проблема основного состояния слаболегированных 2D купратов до сих пор активно дискутируется при множестве разноречивых экспериментальных результатов и теоретических моделей. Картину усложняют два обстоятельства (к слову, они же обуславливают разнородность экспериментальных данных):

наличие дальнего и/или ближнего магнитного порядка и

существенно различная подвижность дырок при легировании исходной диэлектрической матрицы различными типами допантов.

Так, например, модельное соединение La₂ CuO₄ можно легировать тремя принципиально разными способами: примесью замещения в позицию La (1) или Cu (2) а также примесью внедрения в виде сверхстехиометрического кислорода (3). В последнем случае из-за большой подвижности кислорода система демонстрирует макроскопическое фазовое расслоение на дырочно-богатую и дырочно-бедную фазы, размеры которых могут достигать масштаба нескольких микрон. При всем многообразии ВТСП систем, система La₂ CuO_4+х – единственная, где явление фазового расслоения происходит на макроскопических масштабах. Именно это явление легло в основу представления о легированной Сu-О плоскости, как о нестабильной относительно фазового расслоения. При этом следует иметь в виду, что в случае “тяжелых” примесей (Sr вместо La и Li вместо Cu) система может расслаиваться только на микроуровне. В первом приближении размеры возникающих “фаз” определяются выигрышем в магнитной энергии и проигрышем в кинетической.

Какая форма зарядовых флуктуаций будет реализовываться на практике, опять же зависит от типа конкретной системы. Например, магнитная восприимчивость La(Sr)CuO₄ системы трактовалась [1] как система антифазных доменов, где носители тока сконцентрированы на границах доменных стенок. Система La₂ CuO_4+x с низкой подвижностью кислорода и, как следствие, с отсутствием макроскопического расслоения не укладывается в модель с дырочно-богатыми доменными стенками, а более адекватно описывается в модели дырочно-богатых капель с размерами, зависящими от подвижности кислорода [2]. Кроме этого, значительный блок работ (в основном по упругому рассеянию нейтронов) теперь уже на кристаллах с большой подвижностью избыточного кислорода посвящен обнаружению и исследованию кислородной сверхструктуры и структурам, связанным с кислородным упорядочением (stripes, stagers etc.).

Наконец, недавно появилась еще одна работа, касающаяся вопроса о том, как же выглядит допированная Сu-О плоскость с точки зрения распределения в ней избыточного заряда. Изучалась система La₂ Cu(Li)O₄ . Известно, что замещение меди литием дает самую низкую подвижность дырок в La₂ CuO₄ (сопротивление dR/dT<0 во всей области концентраций и температур!). ЯКР исследования на ¹³⁹ La в этой системе [3] и сравнение результатов с данными для La(Sr) системы с аналогичным поведением привели авторов к заключению, что нечувствительность результатов эксперимента к характеру допирующей примеси и подвижности избыточных дырок требует пересмотра представлений об основном состоянии легированной Сu-О плоскости. В работе сделана попытка ввести представление о новой коллективной структуре избыточных дырок. Хотя идея нова и безусловно заслуживает внимания, но предстоит еще ответить на вопрос, насколько она применима ко всем системам и насколько, в связи с этим, можно говорить об универсальном поведении легированной Сu-О плоскости. А.Захаров

J.Cho et al. Phys. Rev. Lett., 1993, 70 , p.222

V.Pomjakushin et al. Phys. Rev. B, 1998, 58 , p.12350

B.Suh et al. Phys. Rev. Lett.,1998, 81 , p.2791

Сверхпроводниковый магнит для LHC
16 июля 1998 года в CERN’е продемонстрирована успешная работа сверхпроводникового дипольного магнита для будущего коллайдера LHC. В разработке и изготовлении магнита принимали участие итальянский INFN (Национальный институт ядерной физики) и промышленная компания Ansaldo Energia. INFN в содружестве с CERN разработали конструкцию сверхпроводящего магнита, а Ansaldo Energia изготовила его.

Магнит был установлен на испытательном стенде в LHC в начале июня и охлажден до температуры 1.8К, при этом было достигнуто проектное значение магнитного поля 8.3Тл. После увеличения поля до значения 8.6Тл сверхпроводниковый магнит перешел в нормальное состояние.

При весе около 26т и длине 15 –16м магнит имеет длину магнитного участка 14.2м при 1.9К, внутренний диаметр каждой из двух апертур - 56мм.

Июньская демонстрация стала частью из серии испытаний магнита, при которых магнит термоциклировали и исследовали качество магнитного поля и системы защиты магнита при его переходе в нормальное состояние.

CERN Courier, 1998, 38 (6), p.17

Новая серия ВТСП (на этот раз с хромом)
Японские физики из National Institute for Research in Inorganic Materials (Tsukuba, Ibaraki) синтезировали девять соединений, относящихся к новому гомологическому ряду (Cu_0.5 Cr_0.5 )Sr₂ Ca_n-1 Cu_n O_2n+3+d (n=1? 9), где n представляет собой, по сути дела, число слоев CuO₂ в элементарной ячейке. Все эти соединения имеют тетрагональную структуру с периодами a” 0.39нм и c” 0.8+0.32? (n-1)нм. T_c =81К, 103К, 71К, 65К, 32К, 10К при n=2; 3; 4; 5; 6; 7 соответственно. При n=1; 8; и 9 сверхпроводимость отсутствует. По данным электронной микроскопии высокого разрешения кристаллографические слои (перпендикулярные оси c ) чередуются в порядке SrO-(Cu_0.5 Cr_0.5 )O-SrO-CuO₂ -(Ca-CuO₂ )_n-1 . Атомы ме-ди и хрома в слоях (Cu,Cr)O распределены случайным образом (если какое-то упорядочение и имеет место, то оно локальное и неполное). Источниками дырочных носителей являются избыточные атомы кислорода и/или вакансии атомов меди в слоях (Cu,Cr)O.

Транспортные измерения H_c2 в YBa₂ Cu₃ O_7-x при низких температурах
При T <<T_c величина верхнего критического поля H_c2 в ВТСП существенно превышает максимальные значения H постоянного магнитного поля, генерируемого современными магнитами. Поэтому для измерения H_c2 приходится использовать импульсные магнитные поля. Именно так была найдена величина H^c _c2 =(110? 135)Тл для ВТСП YBa₂ Cu₃ O_7-x при T =(2 ? 4)K и параллельном кристаллографической оси с направлении магнитного поля [1-3]. В работе [4] международного коллектива австралийских (University of New South Wales; CSIRO), японских (University of Tokyo; International Technology Center), американских (Los Alamos National Laboratory) и российских (Арзамас-16) физиков было исследовано воздействие на тонкие пленки YBa₂ Cu₃ O_7-x перпендикулярного оси с магнитного поля с H ~300Тл. Было установлено, что диссипация начинается при H^ab =150Тл. Это существенно меньше оценки H^ab _с2 =670Тл, сделанной на основании экспериментальных значений длины когерентности x в Y-123. Следовательно, причиной нарушения сверхпроводимости является достижение “парамагнитного предела”, а не уменьшение характерной магнитной длины ниже масштаба x .

H.Nakagawa et al., to be published.

J.L.Smith et al., J. Low Temp. Phys.,1994, 95 , p.75

J.D.Goettee et al., Physica B, 1994, 194-196 , p.1805

A.S.Dzurak et al., Phys. Rev. B, 1998, 57 , p.14084

Сверхпроводимость 2DEG
Эксперименты С.В.Кравченко, выполненные за границей, имели большой резонанс в научном мире. Об этом уже неоднократно сообщал ПерсТ. Наблюдаемое металлическое состояние двумерного электронного газа (2DEG) в кремниевом полевом транзисторе (MOSFET) при очень низких температурах противоречило общепринятой теории металлов, согласно которой двумерные металлы при нулевой температуре обращаются в изоляторы.

Подробная теория наблюдаемого явления сейчас только разрабатывается, но уже можно сделать некоторые несомненные утверждения. Главное из них состоит в том, что теория ферми-жидкости не применима к достаточно разреженному 2DEG, у которого среднее расстояние между электронами велико по сравнению с боровским радиусом. В этом случае (учитывая ферми-статистику электронов) энергия кулоновского взаимодействия электронов превышает их кинетическую энергию. Подходящей для этого случая моделью является латтинжерова жидкость (Luttinger liquid), но ее применение даже к одномерным проводникам дает то согласие, то противоречие с экспериментом. Возможно, главным ее недостатком является игнорирование спина электрона, а значит, и обменного взаимодействия.

Поэтому ученые из University of Illinois at Urbana-Champaign (США) предлагают обойтись хорошо известными средствами, а не привлекать пока слабо изученные модели. Они считают, что наблюдаемый Кравченко эффект является переходом изолятор (большая доля фазы вигнеровского кристалла в неупорядоченном 2DEG)-сверхпроводник. По мнению авторов, все основания для этого имеются: прежде всего, критическое поведение от внешних магнитного и электрического полей. Хорошо известно, что магнитное поле разрушает синглетную сверхпроводимость, когда спаренные электроны имеют нулевой суммарный спин. Возможным кандидатом для спаривания электронов называется поверхностный плазмон. В отличие от своего трехмерного собрата он имеет бесщелевой спектр, т.е. существует на любой частоте. К сожалению, это остается только гипотезой, т.к. конкретные расчеты не выполнены. Заметим попутно, что на огромное влияние поверхностных плазмонов на проводимость 2DEG неоднократно указывал в своих работах В.А.Волков (ИРЭ РАН, Москва).

Nature, 1998, 395 , р.253

Какова же симметрия сверхпроводящего параметра порядка в ВТСП?
За последние несколько лет опубликовано много экспериментальных работ, посвященных орбитальной симметрии сверхпроводящего параметра порядка  в ВТСП. Основное внимание было уделено следующим соединениям: YBa₂ Cu₃ O_7-x , Tl₂ Ba₂ CuO_6+x , Bi₂ Sr₂ CaCu₂ O_8+x и Nd_1.85 Ce_0.15 CuO₄ . При интерпретации экспериментальных данных мнения разделились. Одни эксперименты были объяснены d -волновой симметрией  , а другие - более "прозаичной" s -волновой симметрией. Подробный анализ экспериментальной ситуации и причин имеющихся противоречий дан в работе Richard'а Klemm'а (Argonne National Laboratory), которая готовится к публикации в International Journal of Modern Physics B (и, возможно, уже опубликована к моменту выхода в свет этого номера ПерсТ’а). R.Klemm отмечает, что все эксперименты можно условно разделить на 3 категории: 1) измерения термодинамических и транспортных характеристик; 2) фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES); 3) джозефсоновское туннелирование. После этого он "по косточкам" разбирает каждую из этих категорий.

1. Термодинамические и транспортные характеристики

1.1. Парамагнитный эффект Мейснера
Он наблюдается в неоднородных образцах, причем не только в ВТСП, но и, например, в ниобии. Его причина, по-видимому, никак не связана с симметрией  .

1.2. Нелинейный эффект Мейснера
Этот эффект должен наблюдаться в d -волновом сверхпроводнике, поскольку наличие у  нулей на поверхности Ферми приводит к появлению избыточной плотности квазичастичных состояний. При направлении магнитного поля, параллельном плоскости a-b, вращение образца вокруг оси c должно приводить к периодической зависимости намагниченности от угла поворота с периодом  /2. Намеки на такую периодичность имелись в ранних экспериментах. Позднее было установлено, что при низких температурах период равен  , как и в ниобии.

1.3. Теплоемкость
При низких температурах и сильных магнитных полях удельная теплоемкость C ~ TH ^1/2 , что говорит в пользу d -волновой симметрии. Однако такая же зависимость C (T ,H ) имеет место в V₃ Si (предположительно, из-за спиновых флуктуаций).

1.4. Глубина проникновения
Температурная зависимость глубины проникновения магнитного поля  _ab в плоскости a-b говорит о наличии нулей  на поверхности Ферми, тогда как зависимость  _c (T ) вдоль оси c описывается в рамках s -волновой модели. Таким образом, вся совокупность экспериментальных данных для  _ab и  _c не согласуется ни с "чистой" d -волновой, ни с "чистой" s -волновой симметрией  .

1.5. Сканирующая туннельная микроскопия
Экспериментально обычно измеряют изменение плотности электронных состояний на уровне Ферми при понижении температуры ниже T_c , и это изменение объявляется сверхпроводящей щелью. Для Hg-1201 результаты согласуются с s -волновой симметрией  , для Tl-2201 - с d -волновой симметрией, для Y-123 и Bi-2212 - и с той, и с другой (по данным разных авторов), причем иногда противоречивые данные получаются даже при измерениях в различных точках одного и того же образца ! Не исключено, что за сверхпроводящую щель принимается щель, обусловленная волной зарядовой плотности, как в 2H-TaSe₂ .

2. Псевдощель

При T_c <T <T^* в ВТСП с пониженной концентрацией носителей наблюдается так называемая "псевдощель", обладающая, по-видимому, d -волновой симметрией.

2.1. Фотоэмиссионная спектроскопия (ARPES)
Эксперимент свидетельствует о резкой анизотропии  на поверхности Ферми и возможном наличии у  нулей, что согласуется с d -волновой симметрией.

2.2. Рассеяние нейтронов
Получено непосредственное доказательство формирования волны спиновой/зарядовой плотности при T <T^* . Анизотропная псевдощель "имитирует" d -волновую сверхпроводящую щель. Таким образом, за d -волновую сверхпроводимость могут ошибочно приниматься эффекты, связанные с конкурирующими волнами спиновой/зарядовой плотности, сохраняющимися вплоть до низких температур.

2.3. Аналогия с 2H-TaS₂
Около 30 лет назад в литературе появилось сообщение о сверхпроводящих флуктуациях в 2H-TaS₂ (pyridine)_1/2 , существующих вплоть до 30К (10T_c !). Позднее оказалось, что за сверхпроводящие флуктуации было ошибочно принято "не полностью разрушенное состояние" с волной зарядовой плотности. Аналогия с псевдощелью в ВТСП очевидна.

3. Джозефсоновское туннелирование

Эти эксперименты наиболее интересны, поскольку дают информацию о


29-04-2015, 02:00