ВВС США является лидером в продвижении накопителей в военную технику. На сегодня, кроме Intermagnetics, коммерческие накопители изготавливает и устанавливает American Superconductor.
"Разрушение" поверхности Ферми в
высокотемпературных сверхпроводниках с низким уровнем допирования
Электроны являются фермионами, поэтому ни одно квантовое состояние не может
быть занято сразу двумя электронами (принцип Паули). Это, собственно, и
приводит к разнообразию свойств индивидуальных атомов в Периодической Таблице.
Что касается больших атомных систем, то именно в силу принципа Паули электроны
не "сваливаются" в одно состояние с минимальной энергией, а однородно
распределяются по импульсному пространству, занимая состояния с энергиями, не
превышающими некоторую минимальную энергию, которая называется энергией Ферми.
Таким образом, электроны как бы формируют в импульсном пространстве (в
периодических системах - в зоне Бриллюэна) некое подобие "капли".
Энергия электронных состояний на поверхности этой "капли"
(поверхности Ферми) равна энергии Ферми. Деформация и колебания поверхности
Ферми определяют коллективные свойства металлов.
ВТСП, открытые 12 лет назад, представляют собой качественно новый тип металлов: перемещение электронов в ВТСП ограничено проводящими слоями CuO2; в направлении, перпендикулярном этим слоям, проводимость очень низкая, а зона Бриллюэна является практически двумерной. Многие необычные свойства ВТСП проистекают, по-видимому, из коррелированного движения электронной жидкости в пределах слоев CuO2. Специфические особенности этого движения формируются при температуре, превышающей температуру сверхпроводящего перехода Tc, и "оставляют свои следы" на поверхности Ферми.
Единственный, известный на сегодня надежный способ экспериментального определения параметров поверхности Ферми в ВТСП - это фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением. Когда высокоэнергетичный фотон рассеивается на исследуемом образце, он "выселяет" электрон из занятого им состояния, в результате чего в электронной жидкости образуется "дырка". Анализ интенсивности выбитых электронов дает информацию об изначальном распределении электронов по энергии и импульсу. Этим методом было установлено, что в ВТСП с оптимальным уровнем допирования (то есть с такой концентрацией носителей заряда, при которой Tc конкретной системы максимальна) двумерная поверхность Ферми имеет форму квадрата со скругленными краями [1,2].
По-другому обстоят дела в “underdoped” ВТСП, где уровень допирования (концентрация носителей) ниже оптимальной величины. Если при температуре выше некоторой температуры T*>Tc также наблюдается "квадратоподобная" поверхность Ферми, то понижение температуры ниже T* ведет к появлению в плотности электронных состояний на уровне Ферми так называемой "псевдощели", то есть, число электронов на поверхности Ферми резко уменьшается. При дальнейшем охлаждении образца до Tc происходит переход в сверхпроводящее состояние, то еcть на поверхности Ферми возникает не псевдо-, а сверхпроводящая щель. Пока не понятно, связано ли наличие псевдощели со сверхпроводящими корреляциями электронов, которые развиваются еще в нормальном состоянии, или же псевдощель имеет другое происхождение (например, она может быть обусловлена спиновыми корреляциями в соседних слоях CuO2).
В недавней работе [3] большого коллектива американских, индийских и японских физиков (Argonne National Laboratory, University of Illinois at Chicago; Tata Institute of Fundamental Research; Tohoku University, Nagoya University, National Research Institute for Metals, University of Tsukuba) была детально промерена поверхность Ферми "under-doped" монокристалла ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8+d с Tc=85К. Выяснилось, что формирование псевдощели ведет к "разрыву" поверхности Ферми. А происходит это так. Псевдощель при T*=180K возникает первоначально в четырех точках поверхности Ферми, которые находятся в центрах сторон "скругленного квадрата". При этом непрерывность поверхности Ферми оказывается нарушенной. По мере понижения температуры псевдощель "расползается" по направлению к скругленным углам (дугам). Поверхность Ферми при этом представляет собой четыре не связанные друг с другом дуги, размеры которых по мере охлаждения уменьшаются (но форма дуг при этом не изменяется!). Полностью дуги исчезают лишь при T=Tc. При температуре ниже Tc на поверхности Ферми имеется сверхпроводящая щель. Но не на всей поверхности Ферми. Дело в том, что сверхпроводящая щель сильно анизотропна и равна нулю в четырех точках поверхности Ферми. Интересно, что это именно те точки, в которых "схлопнулись" четыре дуги при подходе к Tc "сверху"!
Аналогичные результаты были получены и для другого "underdoped" образца с Tc=77К. А вот в "overdoped" монокристаллах с Tc=82 и 87К, у которых концентрация носителей выше оптимальной, псевдощели при T>Tc обнаружено не было. По-видимому, между псевдощелью и сверхпроводящей щелью в ВТСП имеется какая-то связь, которая может оказаться весьма нетривиальной, как нетривиальна и необычная (зависящая от температуры) анизотропия псевдощели. Не исключено, что в нормальном состоянии ВТСП присутствуют виртуальные электронные пары, время жизни которых t связано с неопределенностью их энергии связи D e соотношением t D e ~h [4]. Когда величина D e становится сравнима со сверхпроводящей щелью в определенной точке поверхности Ферми, то в этой точке "открывается" псевдощель.
Как бы то ни было, приведенные в [3] результаты позволяют примирить большое количество имеющихся в литературе противоречивых данных, полученных при исследовании псевдощели различными методами. Действительно, поскольку псевдощель сильно анизотропна в импульсном пространстве, то температурная зависимость конкретной физической величины (электрической проводимости, удельной теплоемкости, туннельного тока и т.д.) определяется конкретной зависимостью соответствующего матричного элемента от импульса, а эти матричные элементы для разных физических величин могут существенно различаться.
В электронном Банке препринтов уже появились первые теоретические работы [5-7], посвященные объяснению данных работы [3] и формулировке соответствующих моделей.
Аналогичные результаты были получены и для другого "underdoped" образца с Tc=77К. А вот в "overdoped" монокристаллах с Tc=82 и 87К, у которых концентрация носителей выше оптимальной, псевдощели при T>Tc обнаружено не было. По-видимому, между псевдощелью и сверхпроводящей щелью в ВТСП имеется какая-то связь, которая может оказаться весьма нетривиальной, как нетривиальна и необычная (зависящая от температуры) анизотропия псевдощели. Не исключено, что в нормальном состоянии ВТСП присутствуют виртуальные электронные пары, время жизни которых t связано с неопределенностью их энергии связи D e соотношением t D e ~h [4]. Когда величина D e становится сравнима со сверхпроводящей щелью в определенной точке поверхности Ферми, то в этой точке "открывается" псевдощель.
Как бы то ни было, приведенные в [3] результаты позволяют примирить большое количество имеющихся в литературе противоречивых данных, полученных при исследовании псевдощели различными методами. Действительно, поскольку псевдощель сильно анизотропна в импульсном пространстве, то температурная зависимость конкретной физической величины (электрической проводимости, удельной теплоемкости, туннельного тока и т.д.) определяется конкретной зависимостью соответствующего матричного элемента от импульса, а эти матричные элементы для разных физических величин могут существенно различаться.
В электронном Банке препринтов уже появились первые теоретические работы [5-7], посвященные объяснению данных работы [3] и формулировке соответствующих моделей.
C.G.Olson et al., Science 1989, 245, p.731
J.C.Campuzano et al., Phys. Rev. Lett. 1990, 64, p.2308
M.R.Norman et al., Nature 1998, 392, p.157
P.Coleman, Nature 1998, 392, p.134
G.Preosti
et al.,
http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/9808298
J.Kishine and K.Yonemitsu,…/cond-mat/9808303
V.J.Emery and S.A.Kivelson,…/cond-mat/9809083
Аномалии спектра одночастичных возбуждений в Bi2Sr2CaCu2O8+d
Согласно стандартной теории сверхпроводимости БКШ, величина критической
температуры Tc определяется величиной сверхпроводящей щели D
, которая, в свою очередь, обусловлена характерной энергией фононов (или
каких-то других "спаривающих бозонов"). Переход в сверхпроводящее
состояние приводит к модификации только тех одночастичных возбуждений, энергия
которых меньше или порядка D (то есть » 2kBTc, так
как 2D /kBTc» 3.5 в модели БКШ). В обычных
сверхпроводниках D на несколько порядков меньше энергии Ферми, поэтому
требование совместного выполнения законов сохранения энергии и импульса при
взаимодействии двух электронов приводит к тому, что спариваются электроны,
находящиеся в очень узкой области импульсного пространства: полный импульс двух
электронов в куперовской паре K» 0, так что фактически спариваются лишь
электроны с импульсами k» -k? .
Совершенно другая картина открылась группе американских, австралийских и японских ученых при исследовании одночастичной спектральной плотности оптимально допированных монокристаллов Bi2Sr2CaCu2O8+d методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Оказалось, что при понижении температуры ниже Tc одночастичный спектр изменяется в очень широком интервале энергий, вплоть до 300мэВ (или 40kBTc) при некоторых значениях импульса. Это говорит о том, что в ВТСП, вероятно, в спаривании участвуют практически все электроны, а не только те из них, которые находятся в узкой "корочке" вблизи поверхности Ферми. Как следствие, не исключено, что величина Tc в ВТСП ограничивается не силой спаривающего взаимодействия электронов, а какими-то другими, пока нам неизвестными факторами. Полученные результаты ставят под сомнение применимость каких бы то ни было теорий среднего поля к ВТСП.
Кроме того, оказалось, что имеет место аномально большой (величиной Q» (0.45p ;0)) перенос спектрального веса от одного импульса к другому. По мнению авторов, этот эффект может быть связан с "полосками" (stripes), то есть с микроскопическими неоднородностями распределения заряда в ВТСП.
Z.-X.Shen et al., Science, 1998, 280, 259
Примеси в слоях CuO2
и между ними
Исследование влияния различных типов примесей на свойства ВТСП YBa2Cu4O8
выполнено в работе новозеландских ученых из New Zealand Institute for
Industrial Research [1]. Они показали, что частичное замещение Y на Ca и Ba на
La практически не влияет на Tc, тогда как замещение Cu на Zn
или Ni приводит к быстрой деградации сверхпроводимости. Полученные результаты
полностью согласуются с двумерной картиной, согласно которой
высокотемпературная сверхпроводимость обусловлена спариванием в слоях CuO2.
Если целостность последних нарушается (как при замещении атомов меди), то Tc
падает. Если же атомный беспорядок возникает за пределами этих слоев (как при
замещении атомов иттрия и бария), то Tc не меняется.
Полученные результаты говорят еще и о слабой роли взаимодействия между
слоями CuO2 для сверхпроводимости ВТСП.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
