ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ ВЫШЕ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ

Введение 3
Глава 1. Особенности состояния ВТСП материалов в разных температурных диапазонах 6
1.1 Высокотемпературная сверхпроводимость 6
1.2 Волны зарядовой и спиновой плотности. Страйпы 7
1.3 Нематический порядок 11
1.4 Общая фазовая диаграмма 12
Глава 2. Объекты исследования 14
Глава 3. Техника и процедура измерения 16
3.1 Измерение сопротивления 16
3.2 Измерение высокочастотной магнитной восприимчивости 18
3.3 Измерение нерезонансного микроволнового поглощения 19
3.4 Криогенная техника 21
Глава 4. Результаты и обсуждение 25
4.1 Магнитная восприимчивость 25
4.2 Сопротивление 26
4.3 Нерезонансное микроволновое поглощение 28
4.4 Анализ результатов 30
Заключение 38
Список использованных источников

Купить

Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в керамике, обычно проявляющей полупроводниковые или диэлектрические свойства, было важным этапом в развитии сверхпроводимости. С тех пор прошло уже более 30 лет, однако механизм высокотемпературной сверхпроводимости все еще не установлен. Причина этого заключается в сложности описания сильно коррелированных электронов в ВТСП материалах. Для решения этой проблемы необходимо разобраться с состоянием ВТСП материалов выше критической температуры, так как процессы, протекающие при высоких температурах, определяют механизм спаривания электронов. С другой стороны, большой интерес исследователей вызывают слабодопированные соединения ВТСП материалов, которые при малом количестве носителей уже не переходят в сверхпроводящее состояние даже при очень низких температурах [1]. Исследование этих соединений при высоких температурах, привели к следующим интересным результатам.
В случае купратных сверхпроводников La2-xSrxCuO4 (LSCO) подвижность носителей слабодопированных и передопированных соединений отличается всего лишь в 3 раза [1], хотя первые должны быть изоляторами. Температурная зависимость сопротивления этих кристаллов имеет металлический характер при высоких температурах. Такое поведение слабодопированных систем противоречит общепринятой теории металлической проводимости, так как столь малое количество носителей (~ 1 дырка на 10 элементарных ячеек кристаллической структуры) не может обеспечивать такую хорошую проводимость в этих материалах. Авторы [1] предположили, что в слабодопированных соединениях носители образуют одномерные проводящие каналы - «зарядовые страйпы». Периодическую систему таких зарядовых страйпов позднее стали называть волнами зарядовой плотности (ВЗП). Обладая большой концентрацией носителей тока и высокой подвижностью ВЗП обеспечивают хорошую проводимость и металлический характер зависимости сопротивления от температуры R(T).
ВЗП представляют собой динамическую систему, движение этих волн происходит вдоль проводящих плоскостей. Однако с понижением температуры при определенных условиях могут возникнуть центры пиннинга ВЗП, которые препятствуют движению страйпов. При этом происходит частичная локализация носителей тока и увеличение электрического сопротивления образца. Пиннинг ВЗП возникает вследствие структурного перехода с изменением низкотемпературной орторомбической элементарной ячейки (LTO) на низкотемпературную тетрагональную (LTT) [2]. Этот переход сопровождается разворотом октаэдров CuO6 вокруг диагонали в базисной плоскости (соответствует оси [100] или [010] кристаллической решетки), что было обнаружено с помощью рентгеноструктурного и нейтронного методов в образцах La2-xBaxCuO4 [3], а также - в La2-xSrxCuO4 с дополнительной примесью редкоземельных элементов Nd и Eu [4, 5]. В La2- xSrxCuO4 без редкоземельных добавок переход “LTO-LTT” не происходит (по крайней мере, явным образом), и зависимость R(T) имеет металлический характер вплоть до перехода в сверхпроводящее состояние [6]. В таких соединениях пиннинг не наблюдается. Тем не менее, есть способы определения наличия страйпов даже в таких системах. Один из таких способов заключается в исследовании анизотропии транспортных свойств [7]. Поскольку орторомбичность в кристалле La2-xSrxCuO4 слабая (менее 2%) [8, 9] и других внешних факторов для образования анизотропии нет, то остается вклад только со стороны самоорганизованных одномерных проводящих каналов (зарядовых страйпов), которые проявляются в виде анизотропии транспортных свойств.
Наличие волн зарядовой плотности в недодопированных образцах LSCO подтверждается многочисленными экспериментами (см. обзор [10] и ссылки в нем). Однако, обнаружение ВЗП и определение границ этого состояния на фазовой плоскости остается непростой задачей. По этой причине в данный момент на диаграмме состояний такого классического соединения из семейства купратных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), - La2- xSrxCuO4, довольно мало точек, обозначающих зарядовое упорядочение. И сгруппированы они в очень узком интервале концентраций носителей тока, x = 0,11 ^ 0,13 [11]. Для другого популярного ВТСП соединения, YBa2Cu3O6+s, граница области ВЗП изучена значительно подробнее, получено много точек в широком диапазоне концентраций дырок [12, 13].
Целью данной работы является получение сведений о характере ВЗП и о положении области существования ВЗП на фазовой диаграмме для соединений La2-xSrxCuO4. Для достижения этой цели проводился сравнительный анализ результатов исследования их транспортных свойств на постоянном токе и с использованием высокочастотных методов: высокочастотной магнитной восприимчивости и нерезонансного микроволнового поглощения (МВП).
Результаты работы докладывались на XXII международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, 12 - 15 марта 2018 г., и были опубликованы в трудах этого симпозиума.
Благодарности
Выражаю глубокую благодарность сотрудникам КФТИ Ю.И. Таланову за направляющие советы и постоянное внимание на всех этапах выполнения работы и Н.Н. Гарифьянову за помощь в изготовлении гелиевого криостата для измерений сопротивления, а также за консультацию и помощь, оказанную в процессе всех измерений. Выражаю признательность сотруднику Sophia University (Tokyo, Japan) T. Adachi за предоставленные высококачественные образцы.

Купить