WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

УДК. 537. 312.

62 Хоанг Хоай Ван Терагерцевая фононная спектроскопия висмутовых купратов

Специальность - 01. 04. 09 Физика низких температур

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва - 2012

Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Пономарев Ярослав Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Пудалов Владимир Моисеевич (Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН) Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Фишер Леонид Михайлович (ФГУП ВЭИ, г. Москва)

Ведущая организация: Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН

Защита состоится “__4_” _октября__ 2012 года в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899 ГСП, Москва, Воробьевы Горы, д.1, стр.35, конференц-зал Центра Коллективного Пользования физического факультета МГУ. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан “___”_____________2012г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д 501.001.70 в МГУ им. М.В. Ломоносова доктор физико – математических наук, профессор Г.С. Плотников

Актуальность темы исследования Актуальность темы настоящей диссертации “Терагерцевая фононная спектроскопия висмутовых купратов” определяется важностью исследований физических свойств высокотемпературных сверхпроводников, имеющих большое прикладное значение в современной электротехнике. Следует отметить, что вплоть до настоящего времени механизм спаривания в высокотемпературных сверхпроводниках остается неясным. Отсутствуют систематические исследования специфики физических свойств джозефсоновских контактов на базе высокотемпературных сверхпроводников.

В 1998 году в работе [1] был предсказан эффект неупругого туннелирования куперовских пар в джозефсоновских контактах на базе нетрадиционных сверхпроводников со спариванием на спиновых флуктуациях. Этот эффект должен сопровождаться излучением неравновесных магнонов. Неупругое туннелирование куперовских пар в джозефсоновских Bi-2212 контактах на микротрещине (break junctions) было обнаружено экспериментально в работе [2]. Вопреки предсказаниям работы [1], на ВАХ контактов были найдены многочисленные особенности, связанные с возбуждением не магнонных, а фононных мод (раман-активные оптические фононы в диапазоне частот до 20 ТГц). Вышеуказанный эффект полностью описывается теорией Максимова, Арсеева и Масловой [3] и подтверждает сделанное Абрикосовым [4] предположение о сильном взаимодействии оптических фононов в окрестности центра зоны Бриллюэна с электронной подсистемой в ВТСП.

Недавно в экспериментальной работе [5] для оптимально допированного купрата Bi-2212 была получена функция Элиашберга, содержащая единственный бозонный пик, энергия которого составляет примерно 40 мэВ, т.е. соответствует энергии магнитного резонанса, обнаруженного ранее в этом материале с помощью нейтронной спектроскопии [6]. Если вышеуказанная спектральная функция соответствует действительности, то спаривание в купратных сверхпроводниках с высокой степенью вероятности имеет магнонный характер. В последнем случае магнонная мода должна сильно взаимодействовать с электронной подсистемой и может быть легко обнаружена с помощью джозефсоновской спектроскопии. Характерной особенностью магнитного резонанса является то, что его энергия (в отличие от фононных частот) изменяется с допированием пропорционально критической температуре [6]. В этом случае в спектрах, полученных с помощью джозефсоновской спектроскопии, должен наблюдаться резонанс, частота которого будет зависеть от уровня допирования кристаллов Bi-2212. Перемещение этого резонанса на фоне фиксированных фононных частот можно легко заметить.

Настоящая работа посвящена, в частности, исследованию влияния допирования на эффект возбуждения оптических фононов в монокристаллах Bi-2212 и Bi-2223 с помощью переменного джозефсоновского тока (джозефсоновская спектроскопия) в диапазоне частот до 26 ТГц. Выполненные в настоящей работе исследования не обнаружили заметной перестройки спектра оптических фононов у монокристаллов висмутовых купратов при изменении допирования в широких пределах. Установлено, что в исследованных спектрах магнонный резонанс отсутствует. Отсюда следует, что соответствующая магнонная мода не взаимодействует заметным образом с электронной подсистемой и не участвует в формировании сверхпроводящих свойств купратов. С другой стороны, полученные в настоящей работе спектры оптических фононов находятся в качественном согласии с функцией Элиашберга, рассчитанной в [7-9] из данных туннельной спектроскопии. Эти результаты говорят в пользу модели фононного спаривания, предложенной А.А. Абрикосовым [4].

В настоящей работе экспериментально исследован внутренний эффект Джозефсона в наноступеньках на поверхности криогенных сколов допированных монокристаллов Bi-2212, не подвергавшихся специальной обработке для изменения концентрации примесного кислорода. Обнаружен дискретный характер щелевого смещения Vgn у наноступенек с разным числом дхозефсоновских контактов n: Vgn = n (2/e).

Полученные в работе результаты подтвердили скейлинг сверхпроводящей щели s и критической температуры Тс в функции концентрации примесных дырок p, обнаруженный ранее у монокристаллов Bi-2212(La) [10].

К теоретическим моделям, базирующимся на фононном механизме спаривания, следует отнести, в первую очередь, “сценарий” с протяженной сингулярностью ван Хова (ПСВХ) [4]. Неоднократные попытки обнаружить ПСВХ в висмутовых купратах с помощью туннельной спектроскопии не привели к успеху [11].

У образцов Bi-2212, близких к оптимальному допированию, в настоящей работе обнаружена резкая дополнительная структура на ВАХ стопочных контактов (внутренний эффект Джозефсона), которая может быть следствием существования ПСВХ в окрестности уровня Ферми. Полученные в работе экспериментальные данные подтверждают “сценарий” с протяженной сингулярностью ван Хова, предложенный в [4].

Обнаруженная в настоящей работе гигантская нестабильность на ВАХ объясняется механизмом, предложенным недавно Красновым [12] и Шнидером [13]. В соответствии с теоретической моделью Овчинникова, Кресина и Вольфа [14] этот эффект указывает на фононный механизм спаривания в ВТСП (модель Абрикосова [4]).

Цель работы заключалась в исследовании влияния допирования на физические свойства висмутовых купратов с помощью туннельной, джозефсоновской и андреевской спектроскопии. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Сравнительное исследование внутреннего эффекта Джозефсона в наноступеньках на поверхности криогенных сколов ВТСП-монокристаллов Bi2212 и Bi-2223 с помощью туннельной, джозефсоновской и андреевской спектроскопии.

2. Исследование резонансного взаимодействия переменного джозефсоновского тока с раман-активными оптическими фононами в диапазоне частот до 25 ТГц и стимулированного излучения 2- оптических фононов при рекомбинации неравновесных квазичастиц в естественных стопках джозефсоновских контактов.

3. Исследование влияния допирования Bi-2212 и Bi-2223 на энергию электронфононных и 2- фононных резонансов.

4. Изучение влияния температуры на частоту электрон-фононных и 2- фононных резонансов у наноступенек Bi-2212 и Bi-2223.

5. Исследование влияния температуры на гигантские нестабильности ВАХ наноступенек с резко выраженной щелевой структурой при условии:

Eopt. phon = 2.

Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту Основные новые научные результаты, полученные в диссертации, состоят в следующем:

1. Обнаружены и исследованы резонансы, возникающие на ВАХ Bi-2223 и Bi-22джозефсоновских контактов в результате неупругого туннелирования куперовских пар.

2. При Т = 4.2 К на dI/dV-характеристиках Bi-2223 джозефсоновских контактов обнаружены двухфононные резонансы: (OSr + Sr) и (OSr + Cu), с частотами соответственно 23.2 ТГц и 25.1 ТГц.

3. Показано, что допирование образцов Bi-2212 и Bi-2223 не влияет заметным образом на спектр оптических фононов.

4. Установлено, что в исследованных спектрах магнонный резонанс отсутствует.

5. Подтвержден скейлинг сверхпроводящей щели s и критической температуры Тс в функции концентрации примесных дырок у допированных монокристаллов Bi-2212.

6. Получены прямые доказательства существования внутреннего эффекта Джозефсона в висмутовых купратах.

7. Вблизи оптимального допирования обнаружена резкая дополнительная структура на ВАХ стопочных Bi-2212- контактов, которая может быть следствием существования протяженной сингулярности Ван Хова (ПСВХ) в окрестности уровня Ферми.

8. На ВАХ естественных Bi-2223-наноступенек (jc) при гелиевых температурах обнаружены гигантские нестабильности, которые могут быть следствием стимулированного излучения оптических 2-фононов при рекомбинации протуннелировавших квазичастиц. Этот эффект, предсказанный в работах Краснова, а также Овчинникова, Кресина и Вольфа, указывает на фононный механизм спаривания в висмутовом купрате Bi2Sr2Ca2Cu3O10+ (Bi-2223).

Практическая значимость Результаты исследований, выполненных в настоящей работе, могут быть использованы разработчиками терагерцевых генераторов на базе высокотемпературных сверхпроводников, а также при конструировании детекторов, работающих в терагерцевом диапазоне.

Достоверность научных результатов Результаты, представленные в диссертации, получены на основе экспериментов, проведенных на современном научном оборудовании. Достоверность полученных экспериментальных данных обеспечивалась комплексом взаимодополняющих экспериментальных методик и подтверждается воспроизводимостью получаемых результатов.

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были представлены на российских и международных конференциях в виде стендовых и устных докладов (тезисы которых опубликованы в соответствующих сборниках):

1. Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006), 2. Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2011), 3. 5th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2010) Hanoi, Vietnam – November 09-12, 2010, 4. IV Международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» ФПС’11, 3-7 Октября 2011, Звенигород, 5. Superconducting Centennial Conference, September 19 – September 23, 2011, Den Haag, The Netherlands, 6. VIII Курчатовской молодежной научной школе, 22-25 ноября 2010 г., Москва.

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 в российских и зарубежных журналах и в сборниках трудов конференций.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 6-ти глав, заключения с основными результатами и списка литературы из 105 наименований. Общий объем работы составляет 118 страниц, включая 65 рисунков и 3 таблицы. Первая глава содержит краткий литературный обзор по теме исследования, вторая глава – описание экспериментальной установки и метода приготовления контактов на микротрещине (break junction) в ВТСП – образцах. Каждая из следующих четырех глав содержит оригинальные результаты, полученные автором.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы задачи исследований и дан анализ научной новизны полученных результатов и их практической ценности. Описывается структура диссертации и приведен список опубликованных печатных работ по теме диссертации.

В первой главе диссертации содержится краткий обзор литературы по структуре и физическим свойствам ВТСП - материалов. Обсуждаются основные теоретические модели высокотемпературной сверхпроводимости и их экспериментальная проверка.

В настоящее время установлено, что кристаллы высокотемпературных купратов представляют собой естественную сверхрешетку типа S-I-S-I…, где S – тонкий сверхпроводящий CuO2- блок, I – слой изолятора (спейсер), осуществляющий, в частности, допирование CuO2 – блоков дырками при введении в центральную часть спейсера избыточного кислорода [15]. Спейсеры занимают до 80% объема кристалла и только около 20% объема приходится на сверхпроводящие блоки. Отсюда ясно, что как в сверхпроводящем, так и в нормальном состоянии транспортный ток в с- направлении имеет туннельный характер. Сверхпроводящий ток в с- направлении – джозефсоновский (слабая сверхпроводимость), что создает большие проблемы при использовании купратов в сильноточных сверхпроводящих устройствах.

Модель, согласно которой кристалл высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) при токе в с- направлении ведет себя как стопка сильно связанных между собой джозефсоновских контактов (внутренний эффект Джозефсона), подтверждена обнаружением фраунхоферовских осцилляций критического сверхтока Ic || c через кристалл в магнитном поле и наблюдением резонансов Фиске [16].

В чистых купратах двумерная (2D) CuO2 – плоскость с заполненной наполовину зоной оказывается неустойчивой относительно перехода в фазу моттовского диэлектрика с образованием антиферромагнитного дальнего порядка. Слабое допирование дырками разрушает антиферромагнитный дальний порядок, что приводит к переходу диэлектрик - металл и к появлению дырочной поверхности Ферми открытого типа. Уровень Ферми при этом оказывается в окрестности протяженной сингулярности ван Хова с аномально большой плотностью состояний в – M – направлениях [4].

Высокотемпературная сверхпроводимость реализуется в CuO2 – плоскостях в сравнительно узком интервале концентраций примесных дырок. Критическая температура Tc меняется с концентрацией примесных дырок p по параболическому закону, достигая максимальной величины (Tc)max при оптимальной концентрации примесных дырок popt ( p – концентрация примесных дырок, приходящаяся на атом меди в пересчете на одну CuO2 - плоскость) [17].

Изотопический эффект по кислороду существует в недодопированных и передопированных ВТСП образцах и отсутствует в оптимально допированных образцах [18].

По данным фотоэмиссионной спектроскопии сверхпроводящая щель максимальна в – M – направлениях и минимальна в – Y – направлениях [19].

Вторая глава диссертации содержит описание техники приготовления туннельных контактов и методики измерений I(V)- и dI(V)/dV- характеристик контактов на микротрещине в ВТСП - образцах в широком интервале температур.

Измерительная установка собрана на базе многофункционального устройства ввода - вывода AT - MIO - 16X (National Instruments) и персонального компьютера.

В работе запись dI(V)/dV- характеристик сверхпроводящих контактов производилась с помощью быстродействующего автоматического цифрового моста переменного тока (модуляционный метод). Для подачи смещения на исследуемый контакт использовался один из двух 16-битовых умножающих ЦАПов, расположенных на плате AT - MIO - 16X. Второй умножающий ЦАП питался внешним переменным напряжением от звукового генератора и использовался в компенсационных цепях в режиме записи dI(V)/dV - характеристик сверхпроводящих туннельных контактов.

Измерение температуры производилось автоматически с помощью калиброванного германиевого датчика.

В использованных в работе контактах на микротрещине (break junctions) туннельная структура реализуется при механическом контакте двух криогенных сколов кристалла ВТСП. Высокое качество поверхности криогенного скола позволяет получать хорошо воспроизводящиеся результаты, что выгодно отличает контакты на микротрещине от туннельных структур других конструкций. Уникальным достоинством контакта на микротрещине является возможность его регулировки в процессе эксперимента при низких температурах, что позволяет сравнительно легко переводить контакт из туннельного режима (джозефсоновская спектроскопия, туннельная и внутренняя туннельная спектроскопия) в микроконтактный режим (андреевская спектроскопия). Последнее дает возможность получить разностороннюю информацию о сверхпроводящих параметрах исследуемого материала в одном эксперименте.

Микротрещина в кристаллах создавалась при изгибной деформации столика с образцом с помощью микрометрического винта при гелиевой температуре. Токовые и потенциальные контакты на образцах создавались с помощью жидкого In - Ga припоя.

В третьей главе диссертации приводятся результаты экспериментального исследования влияния допирования на эффект возбуждения раман-активных оптических фононов переменным джозефсоновским током в Bi-2223 и Bi-2212 (терагерцевая фононная спектроскопия). Выбранные для исследования физические эффекты оказываются очень чувствительными к характеру электрон-бозонного взаимодействия, что позволило сделать ряд важных выводов о возможных механизмах спаривания в высокотемпературных сверхпроводниках.

В работе исследованы особенности тонкой структуры на вольтамперных характеристиках (ВАХ) одиночных и стопочных джозефсоновских контактов в допированных монокристаллах Bi-2223 и Bi-2212 в субщелевой области смещений (Рис. 1).

Структура наблюдается только в присутствии переменного джозефсоновского тока.

Положение провалов, составляющих тонкую структуру на dI/dV- характеристиках контактов, не зависит от величины щелевого параметра , температуры Т, уровня допирования, геометрии и типа контактов (SIS или SNS). С ростом температуры Т амплитуда провалов на dI/dV- характеристиках SIS контактов высокого качества достигает максимума при прохождении “щелевого” смещения Vg ( т.е. риделевской особенности) через положение резонансов, а затем резко падает. Тонкая структура на dI/dV- характеристиках исследованных контактов в функции джозефсоновской частоты (jos = 2eV/) обнаруживает сходство с рамановскими спектрами в BSCCO, опубликованными ранее несколькими группами авторов.

Тонкая структура на ВАХ джозефсоновских BSCCO контактов связана с сильным нелинейным взаимодействием переменного джозефсоновского тока с оптическими фононными модами BSCCO кристаллов. Указанное взаимодействие сопровождается генерацией когерентных раман - активных оптических фононов при “резонансных” смещениях на контакте Vres = phon/2e в диапазоне частот до 25 ТГц. Аналогичная тонкая структура обнаружена в работе на ВАХ стопок джозефсоновских SIS BSCCO контактов в Bi-2212, T = 4.2K, phonon structure Bi-22LIL2G UD, Tc=62K K3A UD, Tc=78K OSr UD, Tc=78K LILA OBi -Cu -OD, Tc=91K K1A Sr OCu -B-6 OCu Bi OVD, Tc=86K OCu --OCu -B11C -6 OVD, Tc=86K -12 OCuOSrOCu OSr OCu OCu OBi -0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 30 35 40 45 50 55 2eV, meV 2eV, meV Рис. 1. Фононные резонансы в оптимально Рис. 2. Фононные резонансы в монокристаллах Bi-2212 с допированном монокристалле Bi-2212 (Т = 4.2 разным уровнем допирования (Т = 4.2 К). Прямоугольные К). Монотонный ход частично подавлен. метки соответствуют ожидаемым положениям магнонного резонанса режиме внутреннего эффекта Джозефсона. Генерация неравновесных оптических фононов в последнем случае носит синхронизованный характер.

При Т = 4.2 К на dI/dV-характеристиках Bi-2223 джозефсоновских контактов обнаружены двухфононные резонансы: (OSr + Sr) и (OSr + Cu), с частотами соответственно 23.2 ТГц и 25.1 ТГц. Допирование образцов Bi-2212 и Bi-2223 не влияет заметным образом на спектр оптических фононов (Рис. 2). Установлено, что в исследованных спектрах магнонный резонанс отсутствует.

Основные особенности исследованного в настоящей работе эффекта хорошо описываются теорией Максимова, Арсеева и Масловой [3]. Обнаруженная в работе тонкая структура на ВАХ SIS BSCCO контактов указывает на существование сильного электронфононного взаимодействия в BSCCO.

d I / d V, arb. un.

dI/dV, arb. un.

В четвертой главе диссертации обсуждаются результаты экспериментального исследования внутреннего эффекта Джозефсона в контактах на микротрещине в высокотемпературных сверхпроводниках Bi-2223 и Bi-2212 (Рис. 3). Внутренний эффект Джозефсона у допированных монокристаллов Bi-2212 и Bi-2223 при j || c наблюдался на естественных ультратонких ступеньках (с высотой от 1,5 нм до 30 нм), которые всегда присутствуют на поверхности криогенных сколов (техника break junction). Прямые измерения с помощью STM- техники показали, что высота этих наноступенек пропорциональна половине элементарной ячейки c/2 = 1,5 нм (плоскость раскола проходит между двумя BiO-плоскостями). Отметим, что половина элементарной ячейки в снаправлении соответствует одному джозефсоновскому контакту. При перестройке контакта микрометрическим винтом в одном эксперименте можно переходить с одной наноступеньки на другую и записывать их ВАХ поочередно (j || c).

Выполненные нами исследования на большом числе стопочных Bi-2223- и Bi-2212- контактов показали, что щелевое смещение Vgn, соответствующее пику динамической проводимости наноступенек - “проквантовано”, т.е. меняется дискретно на одну и ту же величину, которая близка к щелевому напряжению для одиночного контакта (Vgn = n2/e, где n - целое число) (Рис. 4). Последнее является прямым доказательством существования в купратах внутреннего эффекта Джозефсона В работе обнаружены признаки существования протяженной особенности ван Хова [4] на ВАХ стопочных Bi-2212 контактов при Т = 4.2 К вблизи оптимального допирования.

Большая величина отношения 2/kTc 7 может быть следствием размытия сингулярности ван Хова с ростом температуры.

В пятой главе диссертации приведены результаты исследования влияния допирования на сверхпроводящую щель в Bi-2212 с помощью андреевской, туннельной и внутренней туннельной спектроскопии в широком температурном интервале 4.2 K T Tc.

Расчеты сверхпроводящей щели s(T) из субгармонической щелевой структуры на ВАХ микроконтактов SnS- типа и из щелевой структуры на ВАХ туннельных контактов SIS- типа позволили заключить следующее:

1. Андреевская и туннельная спектроскопия дают практически совпадающие значения сверхпроводящей щели (T) при Т Тс во всех исследованных образцах BSCCO.

Bi-2212, samp. B11A, OVD, 0,T = 4.2 K, Tc = 88K, = 25 meV 0,dI/dV 0,0,-0,-0,I(V) -0,-500-400-300-200-100 0 100 200 300 400 5V, mV Рис. 3. I(V)- и dI/dV- характеристики стопки из восьми Рис. 4.. dI/dV- характеристики Bi-2212 наноконтактов, зашунтированной одиночным контактом ступенек с разным числом SIS контактов при Т = (Bi-2212, передопированный образец B11A, Т = 4.2 К 4.2 К ( = 25 мэВ). Хорошо видна дискретность щелевого смещения Vgn = n(2/e).

2. Сверхпроводящая щель (T) обращается в нуль при Т = Тс как у недодопированных, так у передопированных образцах BSCCO.

3. В функции концентрации дырок p сверхпроводящая щель меняется подобно критической температуре Тс (скейлинг). В пределах экспериментальных погрешностей отношение 2s/kTc не зависит от концентрации дырок, что косвенно указывает на фононный механизм спаривания.

В шестой главе диссертации обсуждаются результаты экспериментального исследования гигантской нестабильности на ВАХ Bi-2223- и Bi-2212-наноступенек, заключающееся в периодическом переключении между ветвями ВАХ с достаточно высокой частотой.

В последнее время интенсивно разрабатываются компактные твердотельные источники ТГц-излучения для получения изображений в ТГц-диапазоне и для реализации ТГцспектроскопии в физических и биологических исследованиях. В качестве генераторов ТГцI, mA; dI/dV, arb. un.

излучения (до 1 ТГц) были предложены и реализованы [20] оптимально допированные монокристаллы Bi-2212, решетка которых в с- направлении фактически представляет собой естественную стопку SIS-контактов (внутренний эффект Джозефсона). При пропускании тока в с-направлении через наноструктуры Bi-2212 было обнаружено интенсивное монохроматическое электромагнитное излучение в ТГц-диапазоне с мощностью до 5 W.

Существенными достоинствами ВТСП материалов в качестве источников ТГц-излучения являются: 1) высокое качество стопок идентичных SIS-контактов; 2) значительная величина сверхпроводящей щели (у оптимально допированной фазы Bi-2223 при Т = 4.2 К щель = мэВ, что позволяет существенно расширить частотный диапазон генератора).

Проведенные в последнее время исследования физических свойств ВТСП позволяют сделать ряд важных выводов:

1) в теоретической работе [21] было показано, что для оптимально допированной фазы Bi2212 при гелиевых температурах частота генерации (частота переменного джозефсоновского тока) может достигать величины 24 ТГц. Авторы при этом опирались на результаты экспериментальных исследований, выполненных в [22];

2) в работе [10] было показано, что при допировании висмутовых купратов существует скейлинг сверхпроводящей щели и критической температуры. В настоящей работе получены экспериментальные подтверждения эффекта скейлинга (глава 5). В самое последнее время этот эффект был также подтвержден в работе [23]. Таким образом, частотный диапазон ВТСП джозефсоновских контактов максимален при оптимальном допировании;

3) согласно модели Краснова – Шнидера [12, 13], для получения фононного лазерного эффекта в сверхпроводнике необходим слоистый материал с четко выраженным внутренним эффектом Джозефсона. Существование внутреннего эффекта Джозефсона в висмутовых купратах подтверждено в настоящей работе (глава 4);

4) для получения максимального лазерного эффекта необходимо добиться совпадения протяженной сингулярности ван Хова (ПСВХ) с уровнем Ферми в слоистом сверхпроводнике (оптимальное допирование). Признаки существования ПСВХ вблизи уровня Ферми у Bi – 2212 обнаружены в работе [24] и подтверждены недавно в работе [25].

В настоящей работе ПСВХ обнаружена как в слабо недодопированных, так и в слабо передопированных образцах Bi – 2212 (глава 5).

В некоторых случаях при гелиевых температурах нами зарегистрирована гигантская неустойчивость на ВАХ естественных стопок джозефсоновских контактов (наноступенек) у Bi-2223 и Bi-2212. Обнаруженное нами периодическое переключение между ветвями многоветвевой ВАХ наноступеньки может быть вызвано резонансной эмиссией 2- оптических фононов в процессе рекомбинации неравновесных квазичастиц (модель Краснова-Шнидера [12, 13]). Уникальность висмутовых купратов, кроме всего прочего, состоит в том, что при гелиевых температурах существуют оптические фононные моды, энергия которых сравнима с энергией удвоенной щели 2. В случае, когда энергия оптического фонона Еопт совпадает с 2, в процессе рекомбинации квазичастиц возможна эффективная передача энергии этой моде в стопках идентичных SIS-контактов при смещениях на индивидуальных контактах V 2/e. Ширина зоны нестабильности при этом кратна удвоенной ширине щели у исследованных образцов. Физической причиной нестабильности на ВАХ может быть периодическое подключение к основной стопке контактов дополнительных контактов в основании наноступеньки. В равновесных условиях эти контакты заблокированы сверхтоком, критическое значение которого превосходит критический сверхток основных контактов в стопке. Интенсивная генерация 2.-фононов (согласно модели Краснова) в стопке может приводить к понижению критического джозефсоновского тока в контактах в основании стопки, что вызовет появление дополнительных ветвей на ВАХ и перераспределение напряжения на контактах. Условия резонанса при этом могут быть нарушены, в результате чего поток неравновесных 2фононов может прерваться. Описанный процесс может иметь циклический характер.

Следует отметить, что обнаруженная в работе нестабильность на ВАХ Bi-2212- и Bi2223-наноступенек быстро гасится с ростом температуры. Одна из возможных причин – падение сверхпроводящей щели с ростом температуры, что приводит к уходу с резонанса (условие Еопт = 2 больше не выполняется).

Обнаруженная в настоящей работе гигантская нестабильность на ВАХ ВТСП - наноступенек, предсказанная в работах Краснова, а также Овчинникова, Кресина и Вольфа, указывает на фононный механизм спаривания в висмутовых купратах.

Основные результаты и выводы 1. Обнаружены и исследованы резонансы, возникающие на ВАХ Bi-2223 и Bi-22джозефсоновских контактов в результате неупругого туннелирования куперовских пар.

2. При Т = 4.2 К на dI/dV-характеристиках Bi-2223 джозефсоновских контактов обнаружены двухфононные резонансы: (OSr + Sr) и (OSr + Cu), с частотами соответственно 23.2 ТГц и 25.ТГц.

3. Показано, что допирование образцов Bi-2212 не влияет заметным образом на спектр оптических фононов.

4. Установлено, что в исследованных спектрах магнонный резонанс отсутствует.

5. Подтвержден скейлинг сверхпроводящей щели s и критической температуры Тс в функции концентрации примесных дырок у допированных монокристаллов Bi-2212.

6. Получены прямые доказательства существования внутреннего эффекта Джозефсона в висмутовых купратах.

7. Вблизи оптимального допирования обнаружена резкая дополнительная структура на ВАХ стопочных Bi-2212- контактов, которая может быть следствием существования протяженной сингулярности Ван Хова в окрестности уровня Ферми.

8. На ВАХ естественных Bi-2223-наноступенек (jc) при гелиевых температурах обнаружены гигантские нестабильности, которые могут быть следствием стимулированного излучения оптических 2-фононов при рекомбинации протуннелировавших квазичастиц.

Этот эффект, предсказанный в работах Краснова, а также Овчинникова, Кресина и Вольфа, указывает на фононный механизм спаривания в висмутовом купрате Bi2Sr2Ca2Cu3O10+ (Bi2223).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ya.G. Ponomarev, S.A. Kuzmichev, M.G. Mikheev, M.V. Sudakova, S.N. Tchesnokov, Hoang Hoai Van, B.M. Bulychev, E.G. Maksimov, S.I. Krasnosvobodtsev, Leggett’s Mode in Mg(1x)Al(x)B2// Pis’ma v ZhETF, 85, iss.1, pp. 52-56, 2007.

2. Ya.G. Ponomarev, Hoang Hoai Van. THZ phonon spectroscopy of Bi-2223 and Bi-2212:

evidence for phonon pairing // Physics Procedia (2012), 6 страниц.

3. Ya.G. Ponomarev, Hoang Hoai Van, M.G. Mikheev, M.V. Sudakova, S.N. Tchesnokov, Yu.V.

Vilevko. THZ phonon spectroscopy of Bi-2223 and Bi-2212 // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism (2012), 2 страницы.

4. А.Е. Скипетров, А.А. Эспиев, Хоанг Хоай Ван, Сверхпроводящая щель и протя-женная сингулярность Ван Хова у допированных монокристаллов Bi-2212 по данным внутренней туннельной спектроскопии, Международная конференция “ЛОМОНОСОВ-2006”, секция ФИЗИКА, МГУ,2006, Сборник тезисов, т.2, стр. 35-37.

5. А.А. Ананов, Е.Б. Устинов, Хоанг Хоай Ван, Сильное электрон-фононное взаимодействие в допированных монокристаллах Bi-2212 по данным джозефсоновской спектроскопии, Международная конференция “ЛОМОНОСОВ-2006”, секция ФИЗИКА, МГУ,2006, Сборник тезисов, т.2, стр. 34-35.

6. Ya.G. Ponomarev, Hoang Hoai Van, S.A. Kuzmichev, M.G. Mikheev, M.V. Sudakova, S.N.

Tchesnokov, M.R. Nazargulov. THz Phonon Spectroscopy of Bi-2223 and Bi-2212: Evidence for Phonon Pairing // Proceedings of the 5th International Workshop on Advanced Materials Science and Nanotechnology (IWAMSN2010), Hanoi, Vietnam - November 09-12, 2010, MEP2-O2: 6 pp.

7. Я.Г. Пономарёв, М.Г. Михеев, М.В. Судакова, С.Н. Чесноков, Хоанг Хоай Ван.

Терагерцевая фононная спектроскопия висмутовых купратов. IV Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» ФПС’11, 3-7 Октября 2011, Звенигород, Сборник расширенных тезисов, с. 122-123.

8. Пономарев Я.Г., Хоанг Хоай Ван, Вылевко Ю.В., Скипетров А.Е. Туннельная и андреевская спектроскопия допированного висмутового купрата Bi-2212: скейлинг сверхпроводящей щели и критической температуры. Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2011", секция "Физика", Сборник тезисов, стр. 84-85.

9. Вылевко Ю.В., Хоанг Хоай Ван, Сырцов С.С. Терагерцевая фононная спектроскопия висмутовых купратов. Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам "Ломоносов - 2011", секция "Физика", Сборник тезисов, стр. 65-66.

Цитируемая литература 1. Y. Nie, L. Coffey, Phys. Rev. B 57, 3116 (1998).

2. Ya.G. Ponomarev, E.B. Tsokur et al., Sol. State Comm. 111, 513 (1999).

3. E.G. Maksimov, P.I. Arseev, N.S. Maslova, Sol. State Comm. 111, 391 (1999).

4. A.A. Abrikosov, Physica C 341-348, 97 (2000); A.A. Abrikosov. Theory of high-Tc superconducting cuprates based on experimental evidence // preprint : cond-mat/9912394, 21 Dec 1999.

5. J. F. Zasadzinski et al., Phys. Rev. Lett. 96, 017004-1 (2006).

6. M. Eschrig, cond-mat/0510286, v.1, 11 Oct 2005.

7. N. Tsuda, D. Shimada, Physica C 412-414, 76 (2004).

8. S.I. Vedeneev, A.A. Tsvetkov, A.G.M. Jansen, P. Wyder, Physica C 235–240, 1851 (1994).

9. R.S. Gonnelli, G.A. Ummarino, V.A. Stepanov, Physica C 275, 162 (1997).

10. Я.Г. Пономарев, УФН 172, N 6, 705 (2002).

11. L. Ozyuzer, J.F. Zasadzinski, N. Miyakawa et al., Physica C 341-348, 927 (2000).

12. V. M. Krasnov, Quantum Cascade Phenomenon in Bi2Sr2CaCu2O8 Single Crystals, PRL 97, 257003 (2006); V. M. Krasnov. Non-equilibrium spectroscopy of high-Tc superconductors, Journ.

of Phys.: Conf. Ser. 150, 052129 (2009).

13. A. P. Schnyder, D. Manske, and A. Avella Resonant generation of coherent phonons in a superconductor by ultrafast optical pump pulses [cond-mat.supr-con] (Sep 2011) 14. Yu.N. Ovchinnikov, S.A. Wolf, V.Z. Kresin. Generation and detection of pairing bosons – a new method to determine the mechanism of superconductivity in oxides, Journ. of Supercond. 11, 323 (1998); V. Z. Kresin, S. A. Wolf. Electron-lattice interaction and its impact on high Tc Superconductivity, Rev. Mod. Phys. 81, 481 (2009).

15. A.A. Abrikosov. Resonant tunneling in high-Tc superconductors (review) // Physica C 317-3(1999) 154-174.

16. R. Kleiner, P. Mller. Intrinsic Josephson effects in layered superconductors // Physica C 2(1997) 156-167.

17. J.L. Tallon, G.V.M. Williams, J.W. Loram. Factors affecting the optimal design of high-Tc superconductors – the pseudogap and critical doping // Physica C 338 (2000) 9-17.

18. G.M. Zhao, M.B. Hunt, H. Keller, K.A. Muller // Nature (London) 385 (1997) 236.

19. M. Randeria, J.-C. Campuzano // cond-mat/9709107, 1997.

20. K. Kadowaki, H. Yamaguchi et al., "AC Josephson Laser working at THz Frequencies in Intrinsic Josephson Junctions”, http://www.lt25.nl/abstracts/ LT2973.pdf (2008).

21. Y. Wang, B. Hou, 14th Intern. Conf. on Terahertz Electronics, Shanghai, 18-22 Sept. 2006, Book of Abstracts, p. 3122.

22. Ya.G. Ponomarev, Chong Soon Khi, Kim Ki Uk et al., Physica C 315, 85 (1999).

23. Sunao Shimizu et all. Phys. Rev. B 85, 024528 (2012).

24. Ya. G. Ponomarev et al., Phys. Status Solidi 6, No. 9, 2072 (2009).

25. A. Piriou, N. Jenkins, C. Berthod et al., Nature Communications 2, 221 (2011).






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.