Кинетические явления в сверхпроводниках с локальными электронными и колебательными состояниями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

КАЗАНСКИЙ' ОРДЕНА ЛЕНИНА Й ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В. И.УЛЬЯНОВА-ЛЕНИНА

На правах рукописи

КОСОВ Александр Александрович

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В СВЕРХПРОВОДНИКАХ С ЛОКАЛЬНЫМИ ЭЛЕКТРОИНЫМИ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫМИ СОСТОЯНИЯМИ

01.04.02 - теоретическая физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

КАЗАНЬ - 1992

Работа выполнена в Казанском ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственном университете имени В.И.7льянова-Ленина.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Кочелаев Б.И.

доктор физико-математических наук, профессор Изшов Ю.А. доктор физико-математических наук, профессор Тейтельбаум Г.Б. доктор физико-математических наук, в.н.с. Вихнин B.C.

Ведущая организация:

Московский инженерно-физический институт

Защита диссертации состоится

часов в ni/O аудитории на заседании Специализирован

ного Совета Д 053.29.02 по защитам диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук в Казанском государственном университете по адресу: 420008, Казань, Ленина 18, физфак.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Казанского государственного университета.

Автореферат разослан " " 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

доктор физико-математических наук Малкин Б.З,

»оссийсиля ......'/:•::.,„,,)

.уддр'с - ёсинпя .

БИБЛИОТЕКА. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы._ Загадочность многих физических свойств, открывающиеся перспективы технического применения и отсутствие единого взгляда на природу открытых Беднорцом и Мюллером Ш высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) делают задачу по исследованию металлоокзсидных соединений весьма актуальной. Перспективными для целенаправленного изучения сверхпроводящих корреляций в ВТСП -оказались динамические' методы ЭПР [2], ЯМР [3] и ЯГР [4], позволяющие получить информацию с определенных групп атомов и использующие в качестве локальных зондов электронные магнитные моменты как собственных, так. и примесных ионов, ядерные спины атомов и мессбауэровские метки, замещающие определенные позиции в кристаллической решетке. Выделенное положение динамических методов в понимании механизмов образования сверхпроводящего конденсата связано с тем, что в ВТСП локальные электронные и колебательные характеристики, которые избирательно изучаются резонансными методами, играют значительно большую роль, чем в классических низкотемпературных сверхпроводниках из-за малой длины когерентности в метал©

лооксидах < 20 А , т.е. сравнимой с размерами элементарной ячейки кристаллической структуры. Теоретические исследования явлений, проявляющихся в спектрах ЭПР, ЯМР и ЯГР и связанных с кинетикой локальных электронных (локализованные магнитные моменты, населенность штарковских уровней редкоземельных ионов, переменная валентность переходных ионов в ВТСП и др.) и колебательных ( локальные колебания отдельных групп атомов, движение ионов в многоямных потенциалах и др.) состояний как в ВТСП, так и в сверхпроводящих интермегаллических соединениях, несмотря на их многочисленность, не являются к настоящему времени исчерпывающими для понимания совокупности многочисленных экспериментальных данных. Поэтому построение теорий, описывающих кинетику локальных состояний и учитывающих конкретную структуру и свойства сверхпроводников,представляется актуальным как- с точки зрения углубления знаний о природе сложного и проявляющегося в макроскопических масштабах квантового явления сверхпроводимости, так и для дальнейшего изучения возможностей применения радиоспектроскопических и % - резонансных методов для исследования внутренней структуры ВТСП

Цель работы состояла:

1) В построении теории ЭПР на локализованных магнитных моментах в сверхпроводниках 2-го рода и, в частности, в бесщелевой их фазе.

2) В оценке параметров промежуточного электронно-ядерного резонанса ионов ванфлековского типа в интерметаллических сверхпроводящих соединениях.

3) В изучении возможности исследования зарядового состояния ионов меди в неэквивалентных позициях иттриевых ыеталлоок-сидных керамик методами ЭПР и ЯГР.

4) В исследовании неравновесной кинетики электронов проводимости и парамагнитных ионов в сверхпроводниках.

5) В установлении связи между сверхпроводящими корреляциями и динамикой локальных колебаний атомов медь-кислородной подсистемы в ряде сверхпроводящих купратов.

6) В анализе динамики ионов - носителей локализованных электронных состояний, участвующих' в образовании сверхпроводящего конденсата - движущихся в двухъямных потенциалах.

7) В изучении влияния гранулярной структуры сверхпроводников на их магнитные характеристики.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

-на микроскопической основе получены уравнения движения намагниченности парамагнитных примесей и электронов проводимости в сверхпроводниках 2-го рода;

-на основании уравнений движения намагниченности изучена парамагнитная релаксация локализованных спинов в условиях их связанного движения со спинами электронов проводимости в сверхпроводящей фазе;

-исследовано влияние сверхпроводящих флуктуаций на основные параметры ЭПР;

. -определен спектр и форма линии магнитного резонанса в сверхпроводниках с парамагнитными центрами ванфлековского типа;

-показана возможность изучения зарядовых состояний ионов меди "в позициях Си1 в несверхпроводявдх составах керамики УВа^Си^О^и на основании микроскопического расчета динамического отклика системы с переменной валентностью парамагнитных ио-

ов, дано возможное объяснение резкого падения интенсивности иг нала ЭПР при переходе к сверхпроводящим составам этой кера-ики;

- определена зависимость температуры сверхпроводящего пе-ехода соединения с нецентральными ионами от концентрации ло-альных электронных пар, конденсирующихся на этих ионах;

-показано, что сверхпроводящие корреляции при сильной лектрон-фононной связи могут приводить к уменьшению энергии олебаний ионов - носителей локализованных электронных состоя-ий, гибридизованных с зонными электронами и в некоторых слу-аях могут способствовать образованию двухъямных ионных потен-иалов при переходе образца из нормальной в сверхпроводящую азу;

- предложен механизм сверхпроводимости, объединяющий яектронные и колебательные свойства медь-кислородных, цепочек эединений YBa3 Cu^Ox и позволяющий объяснить взаимосвязь мезду 2 и изменениями частоты локальных колебаний квазимолекул 1-Си1-04.

- на основании анализа результатов микроскопического рас-гта предложено возможное объяснение наблюдаемых температурных юмалий относительной вероятности эффекта Меесбауэра в соеди-зниях со структурой (123), заключающееся в изменении потенци-яьнрй энергии локальных колебаний квазимолекул 04-Си1-04 при зреходе в сверхпроводящую фазу;

- получена формула для температурной зависимости среднек-здратичного смещения ионов, движущихся в двухъямных потенциа-ах как в нормальной,, так и в сверхпроводящей фазе,и выявлены зновные параметры,"управляющие" динамикой нецентральных ионов

металлооксидных соединениях при описании ВТСП в рамках моде-?й БКШ и сверхпроводимости локальных пар;

- исследовано поведение отклонения населенности основного тнглетного уровня ванфлековских ионов, находящихся в сверх-зоводящих электродах туннельного контакта SIS, при различных шряжениях на контакте и при разных значениях параметра разбиения куперовских пар;

- на микроскопической основе получены и решены уравнения га неравновесной спиновой кинетики в туннельном контакте фер-

- б -

ромагнетик - сверхпроводник с парамагнитными примесями;

- обсуждена возможность размытия пика в скорости релакс ции ядерных спинов в сверхпроводящей фазе вблизи критическ температуры и отклонения от закона Корринги в нормальной фа в гранулированных сверхпроводниках из-за неодновременности у тановления сверхпроводящего порядка в отдельных гранулах межгранульного взаимодействия квазичастиц;

- с помощью численного эксперимента на ПЭВМ исследова распределение токовых путей в тонких гранулированных пленкам изучены некоторые магнитные свойства, связанные с экранироЕ нием сверхпроводящими токами нормальных и диэлектрических с ластей пленки.

Практическая ценность работы заключается в согласии с норных, полученных в ней результатов с экспериментом. Т изученный в работе и находящийся в резком противоречии с с ществовавшими ранее результатами, следовавшими из теории ШЕ сверхпроводниках, эффект сужения линии ЭПР при переходе сверхпроводящую фазу в условиях "узкого электронного ropj находится в согласии с наблюдавшимся экспериментально сугкеня линии резонанса на магнитных состояниях Ег в соединении La-[53. Сопоставление экспериментальных и теоретических крга для параметров ЭПР в несверхпроводящих составах иттриевой н рамики состава (1ЕЗ) позволило сделать выводы о характе распределения заряда ионов меди в позициях Си1 и объясни наблюдавшееся во многих экспериментах Сб,73 резкое падение у тенсивности сигнала ЭПР при переходе к сверхпроводящим cocí вам этой керамики. В согласии с экспериментом находится и ие ченный в работе эффект уменьшения относительной вероятное эффекта Мессбаузра вблизи Тс в соединениях со структурой (И Е43. Практическое значение имеют результаты численного эксг римента, позволившие на основании задания случайных прос ранственных распределений нормальных и сверхпроводящих rpaí понять ряд особенностей в протекании замкнутых сверхпроводяс токов в тонкой гранулированной пленке и получить согласующие с экспериментом температурные кривые для диамагнитной восщ имчивости. Получены также и другие важные для изучения прирс сверхпроводящего состояния результаты, которые могут cTHMyj

вать новые эксперименты. К таким относятся, во-первых, ре-льтаты исследования неравновесных сверхпроводников показы-ощие, что редкоземельные юны могут выполнять зондирующие якции и дать наибольшую информацию при изучении неравновес-í ВТСП, где из-за близости величин энергетического расщепле-I штарковских уровней ионов и сверхпроводящей щели, будет нисходить сильное изменение населенности уровней парамагнит-с ионов, вызванное отклонением" от равновесия системы элект-iOB проводимости. Во-вторых, предложенный в диссертационной >оте метод исследования механизмов рассеяния квазичастиц с )еворотом спина в сверхпроводниках, основанный на спиновой юекции в неравновесном контакте ферромагнетик-сверхпроводник сет составить конкуренцию ЭЕР и в некоторых случаях превзой-его по информативности (из-за возможности изучения кинетики цественно неравновесных спиновых систем) и точности- (из-за :утствия необходимости использования магнитных полей и учета )аничений, связанных со скин-слоем и неоднородностью в распылении вихревого магнитного поля). В-третьих, проведенный в юте с точек зрения различных механизмов сверхпроводимости ишз динамики ионов-носителей локализованного электронного ¡тояния, находящегося по энергии вблизи уровня Ферми , может [ получении соответствующих экспериментальных результатов 'Ь вполне определенные ответы относительно природы сверх-«одимости в ряде BTCIL

Апробация работы. Основные результаты работы докладыва-!Ь на семинарах кафедры теоретической физики КГУ (Казань); Всесоюзной школе-симпозиуме физиков-теоретиков "Коуров-16'- (Свердловск, 1977); на XX Шадународном Амперовском irpecce (Таллинн, 1978); на кафедрах физики университетов США úversity of Texas at Arlington, Arlington, Texas, 1985-86; versity of Miami, Coral Sables, Florida, 1986);на Мартовс-\ митинге Американского физического общества (March Kfeeting American Physical Society, Las Vegas, Nevada, 1986); на ce-tape лаборатории строения вещества Института химической фи-си РАН,(Москва, 1991); на XII Всесоюзной №оле по магнитному юнансу (Пермь,- 1991); на 29-м Совещании по физике низких тератур (Казань, 1992); на итоговых научных конференциях

- 8 -

Казанского и Марийского университетов.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 29 нау ных работах.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух пр ложений. Она содершгЗ^О страниц машинописного текста, вкл чая 39 рисунков. Список литературы включает 187 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении аргументирована актуальность теш диссертац онного исследования, описана цель и решаемые для её достижен задачи.

В первой главе на основе литературных данных описаны о новные физические свойства ВТСП, выделены наиболее важные р зультаты, полученные при их изучении резонансными методам проведен анализ основных теоретических моделей сверхпровод мости металлооксидных керамик.

Вторая глава посвящена изучению магнитного резонанса в сверхпроводниках с парамагнитными примесями. В §2.1. изложены результаты построенной впервые автором и Еочелаевым В. И. теории ЭПР на локализованных спинах в сверхпроводниках [8]. Эти результаты были получены вслед за первым обнаружением сигнала ЭПР на примесных ' магнитных моментах ионов 6с1 в сверхпроводящем соединении Ьа^п [9].' К одному из наиболее ■важных результатов, сыгравших впоследствии значительную роль в изучении ЭПР в сверхпроводниках, следует отнести теоретически изученный эффект сужения линии ЭПР при переходе из нормальной в сверхпроводящую фазу в условиях "узкого электронного горла", который находится в согласии с рядом экспериментов. Впервые экспериментально сужение линии'ЭПР при переходе в сверхпроводящую фазу наблюдалось в соединении Ьа-Ег С5]. Важность полученного в [8] результата заключается, во -первых, в том, что из существовавшей до этого теории, следовавшей из аналогии с теорией ЯМР в сверхпроводниках, еле1 довало уширение линии магнитного резонанса. Во-вторых, сужение линии ЭПР при переходе в сверхпроводящую фазу,

галученное в С8],. на первый взгляд в 1978 году казалось странным из-за большого авторитета работ Гебеля и Сликтера :ЮЗ и др. по ЯМР в сверхпроводниках, поскольку уширение лиши ЯМР, следующее из их теории, фактически дало окончатель-юе подтверждение микроскопической теории ЕКШ и нашло полное шисание в райках таких понятий модели БКШ как положительный Е>актор когерентности, ширина энергетической щели в спектре иектронов проводимости и характерная плотность энергетичес-сих,"состояний квазичастиц. Кроме этого в работе С8] наш гточйены результаты работы Маки Ell] по определению времен )бменного и спин-орбитального рассеяния квазичастиц сверх-¡роводника на магнитных примесях, который допустил ряд ал-'ебраических ошибок. В § 1. 2. изучено также влияние сверх-фоводящих флуктуаций в сверхпроводниках 2-го рода на >сновные параметры ЭПР спектра и получены уравнения движения 1амагниченности обменносвязанной системы магнитных примесей i электронов проводимости в сверхпроводящей фазе. Здесь га юлучена формула для суммарного динамического отклика, опре-(еляющего коллективные колебания спиновой плотности электро-юв проводимости и электронов магнитных оболочек редюозе-«ельных ионов в беещелевых сверхпроводниках. В § 2.2. >ассмотрен ряд вопросов теории ЯМР в сверхпроводниках, со-¡ержащих парамагнитные примеси с синглетным основным уров-юм. Здесь получены формулы для скорости релаксации и сдвига фактора ядерных подуровней основного электронного синглета [ри Т<Тс. Оценки величины электронно-ядерного g-фактора g'), проведенные для ряда сверхпроводящих соединений, со-1еркащх ионы Рг*~,Тт*в синглетном состоянии, указали на возможность по температурной зависимости g' измерять вклады от •лектронов проводимости и определять температурно-независимый парамагнетизм Ван-Флека. В этом•параграфе получены фор-!улы: _для сдвига g-фактора ядер диамагнитных атомов в сверх-гроводящей фазе ванфлековских парамагнетиков с учетом юдмагничивания электронов проводимости обменным полем маг-[итных примесей, для скорости релаксации эффективных ядер-[ых моментов с учетом флуктуационного спаривания электронов [роводимости. Кроме того здесь проанализированы вопросы,

связанные с применением ванфлековских парамагнетиков в экспериментах по адиабатическому размагничиванию в целях получения сверхнизких температур. При этом рассмотрены случа* перехода парамагнетика в сверхпроводящее состояние и квантования орбитального движения электронов проводимости в нормальном состоянии. Показанол что по мере уменьшения магнитного поля могут возникать осцилляции эффективного ядерного момента, достигающие по амплитуде 50% его величины, что может сказаться на холодопроизводительности ядерной системы у. спин-спиновых взаимодействиях. В § 3. 2.. сделана попытке построения модели, позволяющей описать процессы магнитшй релаксации и изучить динамический отклик системы переходных ионов, находящихся в состоянии с переменной валентностью. Необходимость такой работы вызвана сложностью интерпретации ЭПР спектров и противоречивостью мнений относительно наблюдения. ЭПР в иттриевых ВТСП керамиках [6,7]. Так, считая, что в УВа^СизОхИоны Си*1 обладают магнитным моментом и описываются статистикой Ферми, а ионы Си*1 не имеют магнитного момента и определяются распределением Бозе, в § 3.2. на основе диаграммной техники Фейнмана и температурных фужодгё Грина получены формулы для динамической спиновой восприимчивости, резонансного поля и ширины линии ЭПР ионов зависящие от значения переменной валентности ш и процентного содержания' ионов Си и Си в образце. Полученные результать канественно согласуются с экспериментальными данными ЭПР исследований ряда несверхпроводящих составов керамики УВаСиО. При сопоставлении полученных теоретически результатов и ЭШ исследований иттриевых керамик получается хорошее согласие, если считать, что в диэлектрической фазе УВа.»Си30свсе ионь Си 1 одновалентны, но при добавлении кислорода некоторая ш часть С всё увеличивакщаяея по мере увеличения "кислородного индекса х ) становится двухвалентной и участвует в ЭПР. Однако с ростом кислородного^ индекса двухвалентным ионам Си 1 всё труднее удерживать валентность +2 из-за сильного перемешивания их с зонными квазичастицами ( число и плотность состояний которых в зоне проводимости растёт с увеличением х ). При переходе в сверхпроводящую фазу зарядовый обмен ионов С!

+ е я* Си становится очень быстрым и модно говорить о смешанной валентности этих ионов приблизительно равной среднему заряду ионов меди в цепочках 1,6 7 1,7 [121 ( это следует, например, из мессбауэровских экспериментов работы [13]). Излученные в этом параграфе результаты применены также и к описанию гамма-резонансных спектров ВТСП керамик. В § 4.2. исследовано косвенное взаимодействие локализованных спинов гипа RKKI в сверхпроводниках с перекрываюшямися энергетическими полосами, что представляет интерес для изучения эффектов магнитного упорядочения в сверхпроводящих купратах, где зпектр электронов представляет сложную систему перекрывающихся энергетических зон.

В третьей главе изучены кинетические эффекты в неравно-зесных сверхпроводниках с парамагнитными примесями. В § 1.3. а § 2. 3. основное внимание уделено неравновесной кинетике заселенности штарковских уровней ионов ванфлековского типа. 1ри этом указано на особое значение ионов Pï^.Tm и др., име-ощих в кристаллическом поле определенной симметрии основной зинглетный уровень, для изучения неравновесной кинетики ЗТСП. Выделенное положение ионов ванфлековского типа обеспечивается тем, что ширина энергетической щели ЗДв ряде ВТСП 1меет тот m порядок величины, что и энергия расщепления фовней ионов в кристаллическом поле. Это обстоятельство монет быть использовано, например, для измерения величины от-гошения 2Д(0)/Тс, используя ванфлековские ионы в качестве юндов в экспериментах по нейтронному рассеянию в неравно-зесных сверхпроводниках. Так в § 1.3. показано, что неравновесное распределение электронов проводимости, вызванное, шешним переменным электромагнитным полем, приводит к резо-гансному росту двадды дифференциального сечения неупругого )ассеяния нейтронов и к увеличению ширины линии переходов в

)бласти энергии 2Д(Т)<сЦ- < 2Д(Т) + w (d,- -Е--Е;,Е1,',Е- -энер-

J J J J

'етические уровни редкоземельных ионов в кристаллическом noie, w -частота электромагнитного поля ). В § 2. 3. изучены геравновесные свойства ванфлековских парамагнетиков в сверх-ipoводящих туннельных контактах и показано, что неравновес-гые квазичастицы сверхпроводника вследствие перекрестных

квантовых переходов в системах электронов проводимости и парамагнитных примесей приводят к сильному отклонению населенности уровней иона от его значения в отсутствие туннельного тока. Изменение сечения рассеяния нейтронов на редкоземельных ионах, связанное с неравновесностью электронов сверхпроводника может быть использовано как для определения ширины энергетической щели, гак и для изучения рекомбинационных явлений. В§3.3. -получены кинетические уравнения для неравновесной спиновой кинетики в туннельном контакте ферромагнетик -сверхпроводник с парамагнитными примесями. . На основании, полученных в результате решения этих уравнений результатов сделан вывод о том, что метод спиновой инжекции может оказаться более точным и информативным чем ЭПР для изучения меха низмов спинового рассеяния в сверхпроводниках с парамагнитным примесями иэ-эа отсутствия необходимости использования магнит ных полей и ограничений, связанна со скин-эффектом и неодно родностей в распределении магнитного поля в образце. Кром того сделан вывод о том, что метод спиновой инжекции йот оказаться уникальным для исследования неравновесных состояни спиновых систем в сверхпроводниках.

В четвертой главе основное внимание сосредоточено на воп росе о взаимном влиянии сверхпроводящих корреляций и динамик ионов медь-кислородной подсистемы ряда металлооксидных соеди нений ,с учетом особенностей в расположении атомов Си и О кристаллической реиетке. Необходимость изучения этого вопрос связана с наблюдаемой во многих экспериментах по рассеяни нейтронов [ 142, комбинационному рассеянию света [ 15], ЕШ1 эффекта Мэссбаузра С4] и др. т емпе ратурно,- зависящей и, в некоторых случаях, аномально большой амплитудой колебани атомов кислорода в плоскостях ВаО и цепочках СиО. 3 § 1.4 этой главы показано, что в случае сильной злектрон-фононно связи сверхпроводящие корреляции метут привести к образовали двухъямного ионного потенциала, который в свою очередь може существенно повлиять на бозе-конденсацию локальных дырочны пар на этих ионах. При этом оказалось, что критическая темпе ратура сверхпроводящего перехода, помимо сильной концентраци онной зависимости, как правило имеющей место в модели СЛП

включает в себя также и зависимость от параметров колебательной подсистемы и, что наиболее интересно, резонансную зависимость Тс от частоты туннелирования иона между ямами двухмини-мумного потенциала. Исходя из этого факта в § 2.4. разработана и применена к изучению изотопического эффекта в иттриевых керамиках модель сверхпроводимости, основанная . на "электронно-колебательном" резонансе куперовских пар, движущихся в кислородно-дефицитных цепочках -0-Си02 -О-СиО^ -О- в Y-Ba-Cu-O. Здесь СиО^-квазимолекулы 04-Си1-04 и <f- кислородные вакансии. Такая гибридная модель способна объяснить одновременно высокую чувствительность сверхпроводящих характеристик в Y-Ba-Cu-O к поведению apex кислорода, слабый изотопический эффект по кислороду в широкой области концентрации носителей и взаимосвязь в определенной области концентрации дырок на 04 ( "резонансные" концентрации j меаду ростом Тс и увеличением частот пол-носимметр'ичных колебаний Ag- квазимолекул 04-Си1-04 [16]. Выполненные в § 3,4. расчеты для среднеквадратичного смещения <х^> атомов Си1 и 04 в соединениях со структурой ( 1-2-3) и оценки величины <хг> для мессбауэровских ионов , замещающих ионы Си1, показали, что уменьшение вероятности эффекта Мессбауэра при переходе из нормальной в сверхпроводящую фазу, наблюдавшееся в ряде металлооксидных соединений [4], может быть связано с уменьшением потенциальной энергии ионов кислорода - носителей р -дырок, образующих посредством экси-тонного механизма сверхпроводящий конденсат. В заключительном параграфе 4.4. , исходя из предположения, высказываемого рядом авторов С17,183 о том, что в металлооксидах 'возшгкно существование отдельных групп атомов, движущихся в двухтомном потенциале, который при Т>Тс сильно экранируется электронами проводимости Г193, а при Т<Гс после снятия экранировки проявляется в полной мэре, исследована динамика таких атомов на основе микроскопических теорий БКШ и СЛП. Здесь также качественно проанализирована температурная зависимость <х^> в случае проявления эффекта Кондо [203 в атомном двюяз-нии металлооксидных соединений.

В заключительной пятой главе рассмотрены некоторые вопросы, связанные с проявлением гранулярной структуры в спило-

вой кинетике и магнетизме сверхпроводников. В J 1.5. определено влияние гранулярной структуры сверхпроводника на температурную зависимость скорости релаксации локализованных ( как электронных так и ядерных ) спинов. На основании численного расчета показано, что неодновременность установления сверхпроводящего порядка внутри отдельных зерен и межгранульное туннелирование квазичастиц может привести к невыполнению 8акона Йорринги при Т>Тс (Тс-характеризует момент возникновения бесконечного сверхпроводящего кластера при перколяционном подходе) и к отсутствию ускорения магнитной релаксации при Т< Тс. В 2. 5. приведены результаты численного эксперимента на ПЭВМ, выполненного на квадратных решетках, содержащих N-N ( N-20,30,40 ) узлов, моделирующих тонкую сверхпроводящую пленку, состоящую из N«N расположенных в один слой шарообразных гранул. Перколяционный подход, лежащий в основе этого машинного эксперимента, основан на том, что длина когерентности в ВТШ, как правило, меньше средних размеров кристаллитов ( гранул ) керамического образца. В результате обработки 20 j 25 различных случайных пространственных конфигураций в распределении гранул для каждой заданной концентрации сверхпроводящих гранул Vs были найдены критические концентрации для перколяционных переходов: Vsl = 0,51 +0,02 , когда впервые возникают кольца, составленные из сверхпроводящих гранул и блокирующие нормальные гранулы, и второго при Vs2 - 0,72 + 0,02, когда отдельные сверхпроводящие кольца сливаются в объединенное кольцо, радиус которого при fj"^ со стремится к бесконечности. Результаты машинного эксперимента, во-первых, позволяют объяснить экспериментальные температурные зависимости диамагнитной восприимчивости тонких гранулированных сверхпроводящих пленок С21]. Во-вторых, они представляют интерес для изучения эффектов экранировки магнитного поля и замораживания магнитного потока в тонких сверхпроводявдх пленках.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. На основании микроскопического изучения динамики локализованных магнитных моментов в сверхпроводниках 2-го рода показало, что динамический характер взаимодействия спинов локализованных и коллективизированных электронов приводит к сужению линии ЭПР при переходе исследуемого вещества иэ нормального в сверхпроводящее состояние, в то время как иэ теории, не учитывающей связанного движения спинов, следует совершенно противоположное поведение линии - уширение. Этот результат находится в согласии с наблюдавшимся экспериментально сужением линии ЭПР в соединении La-Ег [5L

2. Определен спектр и форма линии магнитного резонанса в сверхпроводниках с парамагнитными центрами ванфлековского типа. Сделан вывод о том, что по температурной зависимости g -фактора расщепления ядерных подуровней основного электронного синглета парамагнитных ионов можно измерять вклады в g-фактор от электронов проводимости и определять температурно-независимый парамагнетизм Ван-Флека. Проанализированы ситуации, связанные с применением сверхпроводящих ванфлековских парамагнетиков в качестве рабочего вещества для получения сверхнизких температур методом адиабатического размагничивания. При этом рассмотрены случаи, когда образец переходит в сверхпроводящее состояние и когда внешнее магнитное поле вызывает квантование орбитального движения электронов проводимости в нормальном состоянии.

3. Получена формула для динамической спиновой восприимчивости парамагнитных ионов, находящихся в состоянии с переменной валентностью, на основании которой, при сопоставлении экспериментальных и теоретических кривых для параметров ЭПР в несверхпроводящих составах керамики YBa^Cu^ 0^+хсде-лан вывод о том, что по мере увеличения кислородного индекса х от 0 до 0,4, валентность участвующих в магнитном резонансе ионов Cul падает и для сверхпроводящих составов этой керамики она принимает значения меньшие 1,65. Резкое падение магнитной восприимчивости парамагнитных ионов при их- эффективной валентности меньшей 1,65, полученное из формулы для динамического отклика, может объяснить падение интенсивности

сигнала ЭПР при переходе к сверхпроводящим составам керамик*. УВа^Си^ Ов+хпри х > 0,4. Обсувден вопрос о влиянии процессо! переноса магнитных возбуждений между неэквивалентными позициями меди Cul и Си2 на критическую температуру Тс.

4. Получена формула для энергии косвенного обменногс взаимодействия локализованных магнитных моментов в сверхпроводниках через электроны проводимости в следующих случаях:

а) энергетический уровень локализованных электронов находится близко от поверхности Ферми и их взаимодействие с электронами проводимости представлено в модели Андерсона;

б) зона проводимости сверхпроводника формируется из двух перекрывающихся энергетических полос и в эффекте образования куперовских пар сильно влияние межзонного рассеяния электронов.

5. Показано, что неравновесное распределение электронов проводимости, вызванное переменным электромагнитным полем, приводит к резонансному росту сечения рассеяния нейтронов и к- увеличению ширины линии переходов в области энергий 2Д(Т) < Dij < 2Д(Т) +н)с (Dij - El - Ej; Ei,Ej-энергетические уровни парамагнитных ионов в кристаллическом электрическом поле; 2Д (Т) - энергетическая щель сверхпровод ника; и)0 - частота электромагнитного поля). Оценки, прове денные для ВТСП Tm^ Y,_x Ba^Cu^ (^показали, что указанный рост может, при используемых в аналогичного типа экспериментах интенсивностях электромагнитного поля, достичь 20% для интегральной интенсивности и 13% для ширины линии.

.0. Исследована кинетика населенности штарковскйх уровней парамагнитных ионов в сверхпроводящих электродах туннельного контакта SIS. На основании решения кинетических уравнений показано, что перекрестные квантовые переходы в системах электронов проводимости и парамагнитных ионов, в том числе и связанные с рекомбинацией куперовских пар, могут привести в ВТСП к сильному отклонению - населенности уровней иона от его значения в отсутствие туннельного тока. Результаты численного анализа величины отклонения населенности ocL новного уровня ванфлековских ионов при различных напряжениях электрического поля на контакте и разных значениях параметра

разрушения куперовских пар дают сгенования рекомендовать ВТСП -соединения с ванфлековскими ионами для проведения экспериментов по измерению энергетической щели в неравновесных сверхпроводниках.

7. В рамках метода изучения неравновесных систем, развитого Элиашбергом [22], получены уравнения для неравновесной спиновой кинетики в туннельном контакте ферромагнетик -сверхпроводник с парамагнитными примесями. Исследование'степени спиновой поляризации электронов проводимости в сверхпроводнике в зависимости от концентрации парамагнитных примесей и величины напряженности электрического поля на контакте показало, что метод спиновой инжекции может составить конкуренцию методу ЭПР и в некоторых случаях,при изучении неравновесной кинетики спиновых систем в сверхпроводниках, превзойти его по информативности и точности.

8. Показано, что температура сверхпроводящей бозе-конденсации локальных электронных пар в соединениях с нецентральными ионами (движущимися в двухъямном потенциале) резонансным образом зависит от концентрации дырок (электронов), образующих локальные пары и находящихся на нецентральных ионах. При этом ширина резонанса и резонансная концентрация зависят от соотношения между прозрачностью барьера ионного потенциала и частотой переноса локальных пар между соседними нецентральными ионами.

9. Получена формула, позволяющая определять изменение потенциальной энергии иона - носителя локализованного электронного состояния,находящегося по энергии вблизи поверхности Фэрми - при переходе образца из нормального в сверхпроводящее состояние. Исходя из анализа этой формулы показано, что, во-первых, при сильной электрон-фононной связи и отрицательной энергии локализованного электронного уровня, отсчитываемой от энергии Ферми, одноминиыумный профиль кривой ионного потенциала при Т > Тс трансформируется к-двухминимумному при Тс - Т << Тс. Во-вторых,сделан вывод о том, что наблюдавшееся экспериментально изменение параметров ядерного ¿Г - резонанса вблизи Тс в ряде металлооксидных соединений [4] может быть связано с влиянием динамики ионов кислорода (носи-

тедей р - состояний, по всей видимости участвующих в образовании сверхпроводящего конденсата) , изменяющейся при переходе из нормальной в сверхпроводящую фазу, на подвижность мессбауэровских атомов Ге и Бп, занимающих позиции ионов меди.

10. Изучена бозе-конденсация локальных пар, образованных за счет экситонного механизма из рг -дырок, находящихся на равных ионах кислорода в квазимолекулах 04-Си1-04 соединений

с учетом взаимодействия дырок с оптическими коле-• баниями атомов в комплексе 04-Си1-04. При этом показано, что температура сверхпроводящего перехода и фактор изотопического сдвига резонансным образом зависят от концентрации дырок. Резонансные концентрации определяются параметрами колебательной подсистемы и эффективностью электрон-фононного взаимодействия. Показано также, что если локальные колебания комплекса 04-Си1-04 достаточно хорош выражены и распределены в достаточно узком частотном интервале, то вблизи резонансных концентраций может быть достигнуто значительное увеличение температуры сверхпроводящего перехода На основании анализа развитой электронно-колебательной резонансной модели сверхпроводимости предложено возможное объяснение слабого изотопического эффекта по кислороду в УВа^Си^О^и наблюдаемого в ряде случаев увеличения Тс при ужесточении оптических колебаний кислорода в квазимолекулах 04-Си1-04 , вызываемых целенаправленным замещением тялюлых-атомов [16] или воздействием на сверхпроводящее соединение высокого гидростатического давления С23].

11. Количественно определено изменение относительной вероятности эффекта Ыессбауэра, связанное с боэе-конденсаци-ей локальных дырочных пар на квазимолекулах 04-СЙ1-04 в итт-риевых ВГСП керамиках. Указано на возможность -проявления температурного гистерезиса в ионной динамике вблизи температуры сверхпроводящего перехода, который может быть связан с наблюдаемым экспериментально температурным гистерезисом вероятности эффекта Ыессбауэра в ряде металлоокскдных керамик.

12. В рамках моделей БКШ и сверхпроводимости локальных пар проведен анализ динамики нецентральных ионов в сверхпро-

водниках. При этом показано, что-сверхпроводящие корреляции в различной степени, в зависимости от их природы, ослабляют эффект экранировки ионного потенциала электронами проводимости и размягчают колебания нецентральных ионов. Кроме того выявлены основные параметры "управляющие" динамикой нецентральных ионов как в нормальной, так и в сверхпроводящей фазе. Такими параметрами являются отношение энергии, связанной с туннелированием ионы между ямами" потенциала Е к критической температуре, т. е. Е/Тс и энергия локализованных на нецентральных ионах р -состояний, отсчитываемая от энергии Ферми.

13. Метод диаграммного анализа и температурных функций Грина применен для расчета времени продольной релаксации локализованных спинов в гранулированных сверхпроводниках. При этом показано, что неодновременность установления сверхпроводящего порядка внутри отдельных гранул и межгранульное взаимодействие квазичастиц момэт привести к размытию пика в скорости релаксации спинов вблизи Тс в сверхпроводящей фазе, как правило наблюдаемого в классических сверхпроводниках,'и к невыполнению закона Корринги при Т > Тс (где Тс - температура, характеризующая момент возникновения бесконечного сверхпроводящего кластера при перколяционном подходе).

14. С помощью численного эксперимента изучены переляционные свойства тонких сверхпроводящих гранулированных пленок. Основное внимание, при этом, уделено распределению замкнутых сверхпроводящих токовых путей,блокирующих несверхпроводящие участки пленки. Показано, что имеются пороговые концентрации сверхпроводящих гранул С1 и 02, при которых впервые возникают сверхпроводящие токовые кольца, экранирующие магнитное поле в блокированных ими нормальных и диэлектрических гранулах (концентрация 01 - 0,51 ± 0,02 ), и образуется в результате слияния отдельных сверхпроводящих колец объединенное сверхпроводящее кольцо - аналог бесконечного кластера в перколяционной теории - имеющее бесконечные размеры при неограниченном увеличений числа гранул (концентрация сверхпроводящих гранул, выше которой существует объединенное кольцо - С2 - 0,72 ± 0,02). Обращено внимание на

возможность изучения эффектов замораживания и выталкивания магнитного поля из гранулированных сверхпроводящих пленок с сильно размытой температурой сверхпроводящего перехода методами магнитного резонанса. Определенная на основании результатов численного эксперимента температурная зависимость диамагнитной восприимчивости достаточно хорошо совпадает с экспериментальной, полученной при изучении тонких керамических пленок 21 ].

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ

1. Носов А. А. , Кочелаев Б. И. Электронный парамагнитный резонанс на локализованных магнитных моментах в бесщелевых сверхпроводниках//ЖЭТФ. -1978. -Т. 74. - С.148-155.

2. Косов А. А. Электронный парамагнитный резонанс в грязных сверхпроводниках 2 рода в условиях флуктуационного спаривания электронов проводимостиХ/Известия вузов,"Физика". -1978. -Т. 8. -С. 41-45.

3. Кочелаев Б. И., Косов А. А. Динамика локализованных магнитных моментов в бесщелевых сверхпроводниках//"Парамагнитный резонанс". Казань. -1978. -вып. 14. -С. 3-21.

4. Koche laev В. I. , Koloskova N. G. , Kosov A.A. Exchange narrowing of the- EPR line in Superconductors//XXth Congress AMPERE, Tallinn,. USSR, 1978. -P. B322.

5. Косов A. A., Царевский С. Л. Теория ЯМР в сверхпроводниках с парамагнитными примесями в синглетном состоя-нии//ФГТ. -1978. -Т. 20. -С. 1295-1298.

6. Косов A.A., Царевский С. Л. Влияние сверхпроводящих флуктуаций на релаксацию эффективного ядерного момента ионов ванфлековского тила//ФТТ. -1978. -Т. 20. -С. 942-943.

7. Косов А. А., Царевский С. JL Квантовые осцилляции электронно-ядерных уровней в интерметаллических соединени-ях//ФГТ. -1975. -Т. 17. -С. 2306-2308.

8.. Kosov A.A. , Tsarevsky S. L. The Theory of NMR in Superconductors with the Paramagnetic impurities in a singlet state/ZXXth Congress AMPERE, Tallinn, (USSR, 1978.-P. C4307.

9. Косов A. A. , Миронов Г. И. Релаксация локализованных

танов в металлах при низких температурах//ФТТ.-1982.-Т. 24.-С. 33-585.

10. Косов А. А. , Мурзашев А. И. Косвенное взаимодействие 1дерсоновских примесей в экситонном диэлектрике//ФГТ.-1982.-24.- С. 1244-1246.

11. Косов A.A., Полгаев Е А. Взаимодействие-РККИ в сверх-юводниках с перекрывающимися энергетическими полосами//Руко-юь депонирована в ВИНИТИ 23.11.1982 г. N 5798-82.

12. КосовА.А., Полгаев В.А. Пространственная дисперсия :иновой восприимчивости в экситонных диэлектриках У/Рукопись понирована в ВИНИТИ 23.11.1982 г. N 5799-82.

13. Косов А: А. Влияние обменного рассеяния электронов на ектропроводность металлов и сплавов//Шжвузовский сборник, шкар- Ола. -1984. - С. 64-66.

14. Kosov А. А. , Schwartzman К. Exchange Scattering of Con-ction Electrons on One-Dimensional Subsystem of Delocalized Electrons//March Meeting of the American Physical Society;, s Vegas, Nevada, USA.-1986.-ER16.-P. 393.

15. Косов А. А. Влияние энергетической щели сверхпроводни-на параметры неупругого рассеяния нейтронов.- Неравновесные

]?екты//1ЭТФ. -1990. -Т. 98. -С. 1412-1423.

16. Косов А. А. Спиновая инжекция в сверхпроводниках с па-¿агнитными лримесями//ФНТ. -1991. -Т. 17. -С. 177-184.

17. Косов А. А. Неравновесные свойства ванфлековских пара-лнетиков в сверхпроводящих туннельных контактах//ФНТ.-1991.-.7.-С. 382-389.

18. Косов А. А. К теории ЯМР в гранулированных высокотем->атурных сверхпроводниках//(ЖТ. -1991. -Т. 4. -С. 1855-1863.

19. Косов А. А. Сверхпроводимость локальных электронных | в соединениях с нецентральными ионами//ФНТ.-1992.-Т. 18.-С. i-119.

20. Ильин Б. К , Косов А. А. К вопросу о магнитной воспри-ивоети гранулированных сверхпроводящих пленок//СЖТ. -1992. - ■ , вьш. 3. -С.

21. Косов A.A., Макаров Е. Ф. Влияние сверхпроводящих кор-яций на динамику ионов и эффект Месобауэра в металлооксид-

- 22 -

ных керамиках//СФХТ. -1992. -Т. 5,вып. 5. -С.

22. Косов А. А. Анализ динамики нецентральных ионов сверхпроводниках//ЖЭТФ. - 1992. - Т. 101,вып. б. -С. 1124.

23. Косов А. А. Релаксация локализованных спинов в гран; лированных сверхпроводниках//Х11 Всесоюзная Школа по магнит» му резонансу.-Пермь, 1991.

24. Косов А. А. Магнитная восприимчивость тяжелофермионн сверхпроводников и связанное движение спинов локализованных коллективизированных электронов//Х11 Всесоюзная Школа по ма нитному резонансу. -Пермь, 1991.

25. Косов А. А. Сверхпроводимость локальных пар в металл оксидных соединениях с двухминимумным потенциалом у ионов ки лорода//Марийский республиканский союз научных и инженерн обществ. Тезисы научных докладов. Йошкар-Ола.-1991.-С. 37-38.

26. Косов А. А. Сверхпроводящие корреляции и динамика и нов в мет.аллооксидных соединениях//ФНТ. -1992. -Т. 18,N7-С.

27. Косов А. А. Особенности динамики ионов кислорода плоскостях СиО^в УВа^Си^06.^/29-е Совещание по физике низк температур. Казань. -1992. -

28. Косов А. А. Переменная валентность и магнитная рела сация ионов Си в УВааСи^0?_£//29-е Совещание по физике низк температур. Казань. -1992. -

29. Косов А. А. Переменная валентность и ЭПР исследован иттриевых кёрамик//Письма в ЖЭТФ. -1992. (вып. 10 от 25 мая).

ЛИТЕРАТУРА

1. Bednorz J. , Muller К. Z. Phys.-1986.-V. 64.-P. 189.

2. Катаев В. Е., Куковицкий Е. Ф.Тейтельбаум Г. Б. , Фин-льштейн А. М. Письма в ЖЗТФ.-1990.-Т. 51. -С. 115.

3. Завидонов А. Ю. , Ерёмин М. В. s Бахарев О. Е и др. СФХТ. -90. -Т. 3. -С. 1597.

4. Дубовицкий А. В., Киреев R В. , Кущ Н. Д. и др. 'XT. -1990. -С. 1092.

5. Алексеевский Н. Е. , Гарифуллин И. А., Кочелаев Б. И. , Ха-хашьян Э. Г. Письма в ЖЭТФ. -1973. -Т. 18. -С. 323.

6. Романюха А. А. , Швачко Ю. Н., Устинов В. В. й-Т. 161.-С. 37.

7. Garifullin I.A., Garif' yanov N. N. , Alekseevsky N. Е. , m S. F. Physica С. -1991. -V. 179. -P. 9.

8. Косов A. A. , Кочелаев Б. И. ШЭТФ. -Т. 74. -С. 148.

9. Альтшулер Т. С. , Гарифуллин И. А., Харахашьян Э. Г. ФТТ. -14. -С. 263.

10. Hebel L.C., SI ichter С. P. Phys. Rev. -1959.-V. 113. -P. 1504.

11. Maki K. Phys. Rev. -1973. -V. 8. -P. 191.

12. Красинькова M. В. , Мойдес Б. Я. СФХТ.-1991.-Т. 4.-С. 1645.

13. Вилков а И. В. , Дадали Ю. В., Ивченко Л. А. и др. XT.-1991.-Т. 4.-С. 1300.

14. Caponi J. , Chaillout С. , Hewat А. et al. Europhys. tters. -1987. -V. 3. -P. 1301.

15. Mustre de Leon J. , Conradson S. D. , Barisic I. , Bishop Phys. Rev. Lett. -1990. -V. 65. -P. 1675.

16. Буш А. А. , Дубенко И. С., Лимонов К Ф. и др. XT.-1991. -Т. 4.-С. 1952.

17. Hardy J. , Flocken J. Phys. Rev. Lett. -1988. -V. 60. -P. 2191.

18. Плакида EM. 2-я Всесоюзн. конф. по ВТСП, Киев, 1989. .1.-С. 6.

19. Ирхин В. Е , Кацнельсон М. И., Трефилов А. В. Письма ЖЭТФ. -1991. -Т. 53.-С. 242.

20. КопсЗо I. РИузЮа В. 1976.-V. 81.-Р. 40.

21. Гришин А. М., Дроботько В. Ф. , Емельяненков Д. I ФНГ. -1990. -Т. 16. -С. 1524.

22. Элиашберг Г.М. ЖЭТФ.-1971.-Г. 61.-С. 1254.

23. Берман И. К и др. Письма в ЖЭТФ.-1988.-Т. 47.-С. 634.

Сдано в набор 28.07.92г. Подписано в печать 29.06. 92г. Форы. бум. 60 х 84 1/6. Печ.л. 1,6. Тираж 100. Заказ 423.

Лаборатория оперативной полиграфии ИГУ 420003 Казань, Ленина, 4/5