Эволюция температурных зависимостей поверхностного импеданса кристаллов ВТСП при изменении уровня допирования

С открытием высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) возникла новая обширная область физики конденсированных сред, объединяющая исследования металлов, полупроводников и диэлектриков, магнитоупорядоченных, низкоразмерных и сильноанизотрои-ных систем, т. е. область физики, изучающая удивительное разнообразие свойств ВТСП, меняющихся под действием разных факторов.

К числу экспериментальных методов изучения сверхпроводящих материалов выше и ниже температуры Тс сверхпроводящего перехода относят измерения температурных зависимостей поверхностного импеданса Z (T) = R (T) + iX (T) в абсолютных единицах (Омах) на сверхвысоких частотах о)/27Г ~ 10 ГГц при малых (< 0.1 Э) амплитудах переменного поля НшсшЬ. Действительная часть импеданса, поверхностное сопротивление R{T), связана с потерями энергии электромагнитной волны при отражении от сверхпроводника. Мнимая часть, реактанс Х (Т), определяет недиссипативную энергию, запасенную в поверхностном слое исследуемого образца. Только прецизионные СВЧ-методы позволили измерить Z (T) в классических сверхпроводниках с Тс < 10 К. Эти измерения оказались очень информативными: величина щели Д извлекалась из температурных зависимостей поверхностного сопротивления R (T) ос е~А/квТ и реактанса Х (Т) ос е~А/квТ при Т < Тс/2, глубина проникновения А (Т) поля в сверхпроводник — из реактанса Х (Т) = ицоА (Т) при Т < Тс, длина I свободного пробега электронов — из измерений R (T) и Х (Т) в нормальном состоянии (Т > Тс). В случае локальной электродинамики комплексная проводимость сверхпроводника может быть легко найдена из измеренных в абсолютных единицах компонент импеданса: а (Т) = о (Т) — icr2(T) = iu) fio/Z2(T). Экспериментальной демонстрацией применимости теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) [1] для объяснения свойств классических сверхпроводников было немонотонное в области 0.8 < Т/Тс < 1 поведение (когерентный пик) действительной части микроволновой проводимости сп{Т) [2, 3].

Однако уже первые исследования импеданса и проводимости ВТСП не соответствовали выводам теории БКШ: когерентный пик в ст{Т) отсутствовал, а в области низких температур вместо экспоненциальных наблюдались степенные температурные зависимости Z (T) [4].

В ВТСП величины Z и, а характеризуются двумя основными компонентами: и ааь в слабоанизотропных а?>-плоскостях СиОг и Zc и ос поперек кунратных плоскостей. Наиболее изученной является узкая область фазовой диаграммы ВТСП, соответствующая оптимальному допированию р & 0.16 (р — концентрация дырок, приходящихся на атом меди в плоскости СиОг) и максимальным значениям критической температуры Тс = ТСтах. Прецизионные измерения Z (T) в аб-плоскостях оптимально допированных высококачественных монокристаллов ВТСП позволили сделать общий вывод — ферми-жидкостный подход, включающий сильное электрон-фононное взаимодействие и анизотропию параметра порядка, достаточен для описания основных экспериментальных фактов, каковыми являются [5]:

— линейный ход удельного сопротивления Араь (Т) ос Т при Т > Тс (электрон-фононное взаимодействие);

— отсутствие характерного для классических сверхпроводников когерентного пика в действительной части микроволновой проводимости о{Т) в ab-плоскостях при 0.8 < Т < Тс (сильная связь);

— линейные зависимости Ааь (Т) ос Т и АЯаь (Т) ос Т при Т < Тс/А (доминирующий вклад d-компоненты параметра порядка).

В последние годы значительные усилия были направлены на изучение природы и свойств ВТСП во всей области фазовой диаграммы. Оказалось, что в области с пониженным относительно оптимального уровнем допирования в этих материалах наблюдаются многочисленные аномалии электронных свойств как в нормальном, так и в сверхпроводящем состояниях, связанные с подавлением плотности состояний одночастичных возбуждений вблизи уровня Ферми. Такое поведение соответствует общей концепции псевдощели.

Происхождение псевдощели в купратных ВТСП остается неясным. Предлагаемые теоретические сценарии могут быть разделены на две категории. Первая основывается на идее, что псевдощель является предвестником сверхпроводимости, когда при некоторой температуре Т* > Тс образуются куперовские пары, но их фазовая когерентность достигается лишь при Т = Тс. Другая предполагает, что псевдощелевое состояние не связано со сверхпроводящим как таковым, а скорее конкурирует с ним, и обязано либо динамическим флуктуациям (спиновым, зарядовым или структурным), либо волнам зарядовой плотности с ri-симметричным параметром порядка (d-density wave — DDW). В рамках этих подходов трактуются аномалии электронных свойств педодопированных ВТСП, наблюдавшиеся при температурах как выше Тс, так и в ее окрестности.

По мере приближения к диэлектрической фазе (р «0.05) конкуренция псевдощелевого и сверхпроводящего параметров порядка становится наиболее эффективной, что приводит при Г<�ТС к особенностям в рand Т-зависимостях плотности сверхпроводящей жидкости па (Т, р) ос о2(Т, р), измеряемой микроволновыми методами.

Имеется еще одно, явно неразработанное в мировой практике направление исследований, существенное для понимания механизма высокотемпературной сверхпроводимостиисследования при сверхнизких температурах (как бы это ни было странно для высокотемпературных сверхпроводников):

— для СВЧ-нрименений ВТСП чрезвычайно существенен вопрос о происхождении остаточных потерь, Rres = R (T = 0), учет которых в микроволновых исследованиях определяет вид низкотемпературных и частотных зависимостей проводимости. Если в классических сверхпроводниках значение Rres четко определено как уровень плато у кривой R (T) при Т < Тс/А, то в кристаллах ВТСП никакого плато нет, и за величину Rj. es в них обычно принимается значение R (T = 0), полученное экстраполяцией к нулевой температуре линейного участка кривой R (T) при Г<�ТС. В опытах с классическими сверхпроводниками было установлено, что величина Rres определяется разного рода дефектами поверхностного слоя образцана основании этого факта считается, что, чем меньше Rres, тем выше качество образца. В самых лучших кристаллах ВТСП остаточное сопротивление в десятки раз превышает величину Rres в обычных сверхпроводниках. За последние годы развития методов выращивания кристаллов ВТСП величину Rres в них заметно уменьшить не удалось, но было установлено, что в совершенных медно-оксидных кристаллах ВТСП разного химического состава, приготовленных разными способами величина остаточного поверхностного сопротивления приблизительно одинакова: Rres ~ 100 мкОм на частоте 10 ГГц.

— линейный в интервале 2 < Т < 25 К температурный ход глубины проникновения поля в ab-плоскости оптимально допированных кристаллов ВТСП не может простираться до очень близких к абсолютному нулю температур — это противоречило бы третьему закону термодинамики. Как изменится эта зависимость при Т < 2 К — неизвестно.

Целыо диссертационной работы являлось экспериментальное исследование эволюции температурных зависимостей поверхностного импеданса кристаллов ВТСП при изменении уровня допирования в них. Для достижения указанных целей требовалось решение следующих задач:

— разработка и апробация методики прецизионных измерений температурных зависимостей компонент поверхностного импеданса сверхпроводников в миллиметровом диапазоне длин волн и температурном интервале от 0.4 до 120 К;

— определение в абсолютных единицах электродинамических величин, характеризующих сверхпроводящее и нормальное состояния ВТСП;

— поиск и изучение особенностей температурных зависимостей линейного микроволнового отклика монокристаллов ВТСП;

— рассмотрение моделей, которые были бы применимы для описания специфических закономерностей поведения высокочастотного отклика ВТСП при разных уровнях допирования и сверхнизких температурах.

Исследования, проведенные в данной работе, позволяют, с одной стороны, приблизиться к ответу на основной вопрос физики ВТСП — «Каков же механизм высокотемпературной сверхпроводимости ?» — а с другой, указать реальные значения параметров образцов ВТСП, перспективных для использования в СВЧ электронике. Двумя этими положениями определяется научная и практическая ценность диссертации.

Диссертация основана на четырех публикациях, посвященных эволюции температурных зависимостей поверхностного импеданса кристаллов ВТСП при изменении уровня допирования в них. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитированной литературы. Общий объём диссертации — 85 страниц текста, включая 34 рисунка, одну таблицу и список литературы из 10G наименований.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. M.R. Trunin, Yu. A. Nefyodov, A. F. Shevchun, Superfluid density in the underdoped УВагСизО/-*: Evidence for d-density wave order of pseudogap, Phys. Rev. Lett. 92, 67 006 (2004).

2. M.R. Trunin, Yu.A. Nefyodov, A.F. Shevchun, Pseudogap in the microwave response of YBa2Cu307x, Supercond.Sci. Technol. 17, 1082 (2004).

3. Yu. A. Nefyodov, A. F. Shevchun, A. M. Shuvaev, M. R. Trunin, Microwave surface impedance and complex conductivity of high-Tc single crystals: Current state and unsolved problems, J.Supercond. 19, (2005).

4. Г. Э. Цыдынжапов, А. Ф. Шевчун, M.P. Трунин, В. Н. Зверев, Д. В. Шовкун, Н.В. Бар-ковский, JI.A. Клинкова, Наблюдение перехода от сверхпроводимости БКШ типа к высокотемпературной в кристаллах Вах-а-К^ВЮз, Письма в ЖЭТФ 83, 473 (2006).

Я хотел бы выразить благодарность моему научному руководителю Михаилу Рюриковичу Трунину за всестороннюю поддержку и оптимизм, Всеволоду Феликсовичу Гантмахеру за интерес к работе и ценные указания, Геннадию Васильевичу Мерзлякову, Юрию Александровичу Нефёдову, Дмитрию Владимировичу Шовкуну, Алексею Михайловичу Шуваеву, Гомбо Эрыжановичу Цыдынжапову за помощь при освоении различных областей экспериментальной работы, Владимиру Алексеевичу Лепёгину, Леониду Ивановичу Литовко, Сергею Вадимовичу Рыжкову, Михаилу Николаевичу Зинииу за мастерство и умение, которые они продемонстрировали при изготовлении деталей экспериментальной установки, сотрудникам лабораторий химических основ технологии сложных оксидов и кристаллизации из высокотемпературных растворов, вырастившим исследовавшиеся монокристаллы ВТСП, всем сотрудникам лаборатории электронной кинетики за ценные обсуждения, а также многим другим сотрудникам ИФТТ, способствовавшим написанию данной работы.

Заключение

.