Особенности транспортных свойств в нормальном состоянии неупорядоченных и низкоразмерных сверхпроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

1. Общая характеристика работы.

2. Электронная структура и аномальные физические свойства метастабильных растворов Al-Si.

2.1 Введение и постановка задачи.

2.2 Описание методики первопринципных расчетов.

2.3 Поверхность Ферми.

2.3.1 Электронные топологические переходы.

2.3.2 Нестинг.

2.4 Термодинамические свойства.

2.4.1 Энтальпия образования.

2.4.2 Параметр решетки и модуль объемного сжатия.

2.4.3 Плотность состояний.

2.5 Транспортные свойства.

2.6 Выводы.

3. Электрон-фононное рассеяние и термоэдс высокотемпературных сверхпроводников.

3.1 Введение и постановка задачи.

3.2 Модель электрон-фонон-примесного взаимодействия.

3.3 Сравнение теоретических и экспериментальных данных.

3.4 Выводы.

4. Магнетопроводимость высокотемпературных сверхпроводников в параллельном магнитном поле.

4.1 Введение и постановка задачи.

4.2 Теория флуктуационной проводимости в слоистом сверхпроводнике.

4.3 Теоретический расчет флуктуационной проводимости во внешнем поле, ориентированном параллельно проводящим слоям.

4.4 Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных.

4.5 Выводы.

Актуальность темы

В работе методами современной физики твердого тела проведен теоретический анализ транспортных свойств в нормальном состоянии неупорядоченных и низкоразмерных сверхпроводников. В качестве объектов исследования выбраны системы, активно изучаемые в последние годы как теоретически, так и экспериментально: неупорядоченные твердые растворы Al-Si, пленки ВТСП и искусственные ВТСП сверхрешетки. Таким образом, актуальность темы обусловлена, с одной стороны, фундаментальным характером и новизной решаемых проблем, а с другой стороны - потребностями экспериментальной физики.

Цель работы

Целью работы является теоретическое исследование особенностей транспортных свойств (проводимость, магнетопроводимость, термоэдс, коэффициента Холла) в нормальном состоянии неупорядоченных и низкоразмерных сверхпроводящих систем, сравнение полученных результатов с недавними экспериментальными данными, и в результате получение новых выводов о микроскопических параметрах и механизмах переноса электрического заряда и тепла в изучаемых системах.

Научная новизна

В работе получен ряд новых результатов о транспортных свойствах неупорядоченных и низкоразмерных систем, в частности впервые вычислен тензор магнетосопротивления пленок ВТСП в магнитном поле, параллельном проводящим слоям, и рассчитаны транспортные коэффициенты неупорядоченных твердых растворов Al-Si вблизи точки решеточной неустойчивости. Сравнение с последними экспериментальными данными провело к ряду новых выводов о микроскопических механизмах переноса электрического заряда и тепла в исследуемых системах.

Практическая значимость работы

Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что она вносит вклад в понимание процессов переноса в неупорядоченных и низкоразмерных системах, дает объяснение последним экспериментальным данным и делает конкретные предсказания о направлении поиска новых материалов с заданными физическими свойствами.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. В неупорядоченных твердых растворах Al-Si при легировании кремнием наблюдаются изменения топологии поверхности Ферми: электронные топологические переходы (ЭТП) и особенности Кона (нестинг). Особенности типа ЭТП приводят к экспериментально наблюдаемым аномалиям в транспортных коэффициентах (проводимость, термоэдс и коэффициента Холла). Особенности Кона являются причиной аномального роста критической температуры сверхпроводящего перехода при легировании кремнием.

2. Анализ экспериментальных данных по термоэдс нормального состояния высокотемпературных сверхпроводников показывает возможность последовательного объяснения этих данных в рамках теории ферми-жидкости с учетом эффектов межчастичного взаимодействия. Температурная зависимость и знак коэффициента термоэдс для различных систем ВТСП, в том числе искусственных сверхрешеток, могут быть согласованно объяснены в рамках модели, учитывающей фононную перенормировку коэффициента Зеебека в присутствии беспорядка замещения, и определяются параметрами электрон-фононного и электрон-примесного взаимодействий.

3. Экспериментально наблюдаемое поведение тензора магнетосопротивления соединения BÍ2Sr2CaCii208+x в магнитном поле, параллельном проводящим слоям, находит количественное объяснение в рамках флуктуационной теории в широком интервале температур и магнитных полей. Показано, что вклад флуктуаций плотности состояний приводит к отрицательному магнетосопротивлению вдоль оси с в соответствии с экспериментальными наблюдениями. Получены оценки для микроскопических параметров фазы BijS^CaCusOs+x: времени упругой релаксации электрона, интеграла перескока, определяющего вероятность туннелирования электрона между проводящими слоями, и энергии Ферми, которые находятся в соответствии с результатами независимых экспериментов.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на Tenth International Conference on Phonon Scattering in Condensed Matter. Phonons 2001, August 12th -17th, 2001, Dartmouth College, Hanover, USA; Conference of European Material Research Society EMRS-2001. Grenoble, France, 12-19 July 2001; научных студенческих конференциях МИСиС 1998 и 1999 гг., научных семинарах кафедры теоретической физики МИСиС.

Основные результаты настоящей работы опубликованы в 7 публикациях, список которых приведен в конце раздела.

Структура и объем диссертации

Материал диссертации изложен на 90 страницах машинописного текста, содержит 28 рисунков, библиография включает 82 наименования. Диссертационная работа состоит из общей характеристики работы, трех глав, заключения и списка литературы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. G.Balestrino, A.Crisan, D.V.Livanov, S.I.Manokhin, E.Milani "Fluctuation magnetoconductivity of BSCCO-2212 films in parallel magnetic field", Physica C, Volume 355,2001,p.p. 135-139.

2. D.V.Livanov, S.I.Manokhin "Electron-phonon scattering and thermoelectric power of high-temperature superconductors", Physica B: Condensed Matter, Volumes 316-317, May 2002,p.p 335-338.

3. D.V.Livanov, E.I.Isaev, S.I.Manokhin, A.S.Mikhaylushkin, Yu.Kh.Vekilov, S.I.Simak "Transport properties of Al-Si solid solutions: theory", Computational Materials Science, Volume 24, 2002, p.p. 284-289.

4. M.Putti, D.Marre, M.Tassisto, G.Balestrino, P.G.Medaglia, M.Salluzzo, D.V.Livanov, S.I.Manokhin "Seebeck effect in thin films and superlattices of cuprate superconductors", submitted to World Scientific 08.04.2002.

5. D.V.Livanov, E.I.Isaev, Y.K.Vekilov, S.I.Manokhin, A.S.Mikhaylushkin, S.I.Simak "Electronic structure and anomalous physical properties of metastable Al-Si solid solutions", The European Physical Journal B, 27, p.l 19126 (2002)

6. D.V.Livanov, S.I.Manokhin "Electron-phonon scattering and thermoelectric power of high-temperature superconductors", Proceedings of Tenth International Conference on Phonon Scattering in Condensed Matter. Phonons 2001 (Dartmouth College, Hanover, USA, August 12th-17th, 2001), p.145.

7. D.V.Livanov, E.I.Isaev, S.I.Manokhin, A.S.Mikhaylushkin, Yu.Kh.Vekilov. "Transport properties of Al-Si solid solutions", Conference of European Material Research Society EMRS-2001. (Grenoble, France, 12-19 July 2001), Book of Abstracts, A-VII/P2.17.

4.5 Выводы.

Необычные физические свойства высокотемпературных сверхпроводников привлекают большое внимание мирового физического сообщества, делая ВТСП одним из наиболее широко исследуемых объектов современной физики твердого тела. Начальный этап изучения ВТСП характеризовался огромным количеством противоречивого экспериментального материала, что вызвало к жизни большое количество разнообразных физических теорий. На этом этапе подавляющей части исследователей представлялось невозможным найти объяснение всей совокупности особенностей в рамках "традиционных" физических теорий: теории ферми-жидкости (в нормальной фазе) или теории БКШ (в сверхпроводящей фазе). Лишь сравнительно недавно технология производства образцов ВТСП позволила достоверно выделять физические свойства, которые уже не зависят от особенностей конкретных методик. Оказалось, что свойства нормального состояния ВТСП сильно отличаются от привычной картины в рамках теории ферми-жидкости, причем основной особенностью здесь является ряд явлений, объединенных термином "псевдощелевые структуры". Это эффекты, проявляющиеся в самых различных физических свойствах (например, спиновая восприимчивость, поперечная проводимость, спектры фотоэмиссии и т.д.), которые указывают на наличие пониженной плотности одноэлектронных состояний на уровне Ферми ("псевдощель"). Такая ситуация вызвала к жизни целый ряд концепций неферми-жидкостной природы ВТСП.

Однако, всесторонний анализ этих явлений приводит к выводам, что традиционные теории все же способны дать объяснение всей совокупности физических свойств ВТСП (во всяком случае, в металлической части фазовой диаграммы ВТСП, т.е. при уровне допинга, близком к оптимальному), будучи модифицированными в соответствии с характерными особенностями этих материалов: очень сильной пространственной анизотропией, отражающейся в особенностях электронного спектра (модель спектра с седловой точкой), возможный нефононный механизм спаривания (представление о парамагнонах) и анизотропный характер межэлектронного взаимодействия (модель с1-спаривания). Проверка этих и других моделей требует глубокого и всестороннего анализа имеющегося экспериментального материала. Среди таких теорий находится и развиваемый в настоящей работе подход. Поскольку необходимыми допущениями при этом является лишь наличие эффективного межэлектронного взаимодействия, приводящего при некоторой температуре к фазовому переходу в сверхпроводящее состояние с зарядом пар, равным удвоенному заряду электрона, а никаких предположений о микроскопическом характере такого взаимодействия не делается, предлагаемый подход обладает большой степенью универсальности, что отличает его от остальных теоретических подходов к проблеме ВТСП. Таким образом, имеется тесная связь между предлагаемым подходом и другими основными направлениями теоретического понимания явления ВТСП, перечисленными выше. С другой стороны, следует отметить новизну предлагаемого метода. Главная отличительная черта - гипотеза, что основные свойства нормального состояния ВТСП могут быть описаны в рамках теории ферми-жидкости, а наблюдаемые аномалии обусловлены тем, что за счет высокой анизотропии, большой критической температуры и короткой корреляционной длины межэлектронное взаимодействие в куперовском канале (сверхпроводящие флуктуации) оказывает существенное влияние на физические свойства нормального состояния в широком интервале температур. Отдельные теоретические предсказания в рамках такой флуктуационной модели уже используются экспериментаторами для интерпретации экспериментальных данных ( см. напр.[79,80])

Одним из физических свойств, в которых наиболее ярко проявляется продуктивность флуктуационной теории применительно к проблеме ВТСП, является магнетосопротивление. Преимущество измерения и интерпретации магнетосопротивления заключается в том, что при такой процедуре сокращаются все эффекты, обусловленные свойствами нормального состояния вдали от точки перехода. Известно, что любая; трактовка экспериментальных данных по сопротивлению в отсутствие магнитного поля включает необходимость экстраполяции сопротивления нормальной фазы из области достаточно высоких температур, где флуктуационные эффекты заведомо пренебрежимо малы. Однако такая экстраполяция неизбежно вносит неопределенность в результаты анализа. Это связано, во-первых, с тем, что область температур, где флуктуационные эффекты отсутствуют, a priori неизвестна, и должна каждый раз выбираться заново. Во-вторых, механизм линейного по температуре поведения сопротивления в ВТСП пока не установлен, и следовательно, нет полной уверенности, что сопротивление без учета флуктуации остается строго линейным при понижении температуры.

Актуальность работы обусловлена тем, что в литературе имеется крайне мало экспериментальных данных о влиянии магнитного поля, приложенного параллельно сверхпроводящим слоям, на тензор сопротивления в ВТСП. В работе проведен анализ новых экспериментальных данных по магнетосопротивлению сверхпроводящей фазы Bi2Sr2CaCu2Og+x в такой геометрии, причем анализ проводился как для компоненты тензора сопротивления, соответствующей переносу заряда в плоскости слоев, так и поперек слоев. Основные результаты, полученные в работе, могут быть сформулированы следующим образом.

1). Теоретически вычислены флуктуационные вклады в проводимость слоистого: сверхпроводника в случае, когда магнитное поле ориентировано параллельно проводящим плоскостям. Показано, что эффекты магнитного поля (уширение перехода и абсолютная величина магнетосопротивления) в такой геометрии существенно меньше сравнении со случаем магнитного поля, ориентированного перпендикулярно к проводящим слоям. Это вызвано отсутствием орбитальных эффектов и перенормировки Хартри в рассмотренной геометрии.

2). Проведено сравнение теоретических результатов с экспериментальными данными для соединения Bi2Sr2CaCu208+x для двух компонент тензора магнетосопротивления: раь и рс. Продемонстрировано количественное соответствие теории и экспериментальных данных.

3). Получены оценки для микроскопических параметров фазы

В128г2СаСи208+х времени упругой релаксации электрона, интеграла перескока, определяющего вероятность туннелирования электрона между проводящими слоями, и энергии Ферми, которые находятся в соответствии с результатами независимых экспериментов.

Общее заключение, которое может быть сделано по результатам настоящей главы, состоит в следующем. Как уже отмечалось выше, необычные физические свойства ВТСП как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии породили в физическом сообществе многочисленные сомнения в возможности объяснения этих свойств в рамках традиционных теорий нормального металлического состояния (теория ферми-жидкости Ландау) и сверхпроводимости (теория БКШ). В результате были предложены и предлагаются в настоящее время многочисленные нетрадиционные теоретические модели. В то же время существует и другой подход, в русле которого находится и настоящая работа, который заключается в учете сильной перенормировки свойств нормального состояния ВТСП за счет электрон-электрон взаимодействия в куперовском канапе (сверхпроводящие флуктуации). Результаты, изложенные в настоящей работе, дают дополнительное подтверждение справедливости такого подхода к проблеме ВТСП.

В заключение, я хочу выразить глубокую благодарность моему научному руководителю - д.ф.-м.н. профессору Д.В. Ливанову за плодотворное сотрудничество, во время которого мне посчастливилось многое узнать и многому научиться. Особую благодарность я хотел бы выразить моему коллеге и большому другу A.C. Михайлушкину за многочисленные ценные обсуждения и замечания. Я также признателен всем сотрудникам кафедры теоретической физики Московского Института Стали и Сплавов, в особенности заведующему кафедрой профессору Ю.Х. Векилову и к.ф.м.н. Э.И. Исаеву за атмосферу доброжелательности, в которой мне посчастливилось работать. Теплые слова благодарности я хочу адресовать своим родителям и друзьям: Виталию Байкову, Роману Полянскому, Колотинскому Евгению, Воскобойниковой Светлане за их постоянную моральную поддержку во время написания этой работы.

1. N.E. Sluchanko, V.V. Glushkov, S.V. Demishev, M.V. Kondrin, N.A. Samarin, V.V. Brazhkin, Y. Bruynseraede, V.V. Moshchalkov, Sov. Phys.Solid State 41, 3 (1999).

2. N.E. Sluchanko, V.V. Glushkov, S.V. Demichev, N.A. Samarin, S.V. Savchenko, J. Singleton, W. Hayes, V.V. Brazhkin, A.A. Gippius, A.I. Shulgin, Phys. Rev. B 51, 1112(1995).

3. N.E. Sluchanko, V.V. Glushkov, S.V. Demichev, M.V. Kondrin, N.A. Samarin, V.V. Moshchalkov, V.V. Brazhkin, Sov. Phys. JETP 113, 339 (1998).

4. A.A. Gippius, N.E. Sluchanko, V.V. Glushkov, S.V. Demichev, M.V. Kondrin, A.A. Pronin, V.V. Brazhkin, Y.Bruynseraede, V.V. Moshchalkov, J.Phys.Cond.Matt. 12, 1 (2000)

5. J. Chevrer, J.B. Suck, J.C. Lasjaunias, M. Perroux, Phys. Rev. B 49, 961 (1994).

6. J. Chevrer, J.B. Suck, J.J. Capponi, M. Perroux, Phys. Rev. Lett. 61, 54 (1988).

7. D.V.Livanov, E.I.Isaev, S.I.Manokhin, A.S.Mikhaylushkin, Yu.Kh.Vekilov, S.I.Simak "Transport properties of Al-Si solid solutions: theory", Computational Materials Science, Volume 24, p.p. 284-289, (2002).

8. D.V.Livanov, E.I.Isaev, Y.K.Vekilov, S.I.Manokhin, A.S.Mikhaylushkin, S.I.Simak "Electronic structure and anomalous physical properties of metastable Al-Si solid solutions", The European Physical Journal B, 27, p. 119-126 (2002).

9. I.A. Abrikosov, B.Johansson, Phys. Rev B 57, 14164 (1998).

10. J.P. Perdew, K.Burke, M.Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).

11. P.A. Korzhavyi, A.V. Ruban, I.A. Abrikosov, H.L. Skriver, Phys. Rev B 51, 5773 (1995).

12. V.L. Moruzzi, J.F. Janak, K. Schwarz, Phys. Rev B 37, 790 (1988).

13. N.V. Skorodumova, S.I. Simak, I.A. Abrikosov,, B.Johansson, Y.Kh. Vekilov, Phys. Rev B 57, 14673 (1998).

14. A.A.Varlamov, V.S. Egorov, A.V. Pantsulaya, Adv.Phys. 38, 469 (1989).

15. W.Kohn, Phys. Rev. Lett. 2, 393 (1959).

16. D.J. Scalapino, E.Loh, J.E.Hirsch, Phys. Rev B 35, 6694 (1987).

17. L.P. Gorkov, O.N. Dorokhov, J. Low Temp. Phys. 22, 1 (1976).

18. D. Ludecke, Z. Metalkde, 77, 278 (1996).

19. H. Olijnyk, S.K. Sikka, W.B. Holzapfel, Phys. Lett. A 103, 137 (1984).

20. J.Z. Hu, L.D. Merkel, C.S. Menoni, I.L. Spain, Phys. Rev В 34, 4679 (1989).

21. V.F Degtyareva, G.V. Chipenko, I.T. Belash, O.I Barkalov, E.G. Ponyatovskii, Phys. Stat. Solidi A 89, K127, (1985).

22. N.E. Sluchanko, V.V. Glushkov, S.V. Demishev, M.V. Kondrin, T.V Ischenko, W. Gust, V.V. Brazhkin, B.B. Straunal, Y. Bruynseraede, V.V. Moshchalkov, Phys. Rev В 61, 6019 (2000).

23. Ya. M. Blanter, M.I. Kaganov, A.V. Pantsulaya, A.A. Varlamov, Phys. Rep. 245, 159(1994).

24. A.A. Abrikosov, Fundamentals of the Metals Theory (North Holland, Elsevier, 1988).

25. D.V. Livanov, Phys. Rev В 60, 13439 (1999).

26. A.M. James, M.L. Lord, in Macmillan's Chemical and Physical Data (Macmillan, London, UK, 1992)

27. N.E. Sluchanko, V.V. Glushkov, S.V. Demishev, N.A. Samarin, V.V. Brazhkin, Ferroelectrics 177, 17 (1996).

28. A.B. Kaiser, G. Mountjoy., Phys. Rev. В 43, 6266 (1991).

29. P.E. Nielsen, P.L. Taylor., Phys. Rev. В 43, 4061 (1974).

30. A.Vilenkin, R. Taylor, Phys. Rev. В 10, 5278 (1978).

31. S.K. Lyo, Phys. Rev. В 17, 2545 (1978).

32. J.J. Krempansky, A. Schmid, Jour. Low Temp. Phys., 34, 197 (1979).

33. М.Ю. Рейзер, A.B. Сергеев, ЖЭТФ 93, 2191 (1987).

34. M. Pekala, К. Pekala, A. Pajaczkowska, Phys. Stat. Solidi (b) 152, Kl, (1989).

35. A.K. Bhatnagar, R. Pan, D.G. Naugle, A. Clearfield, Z.Z. Sheng, Q.A. Sahams, A.M. Herman, Solid. State Commun. 75, 53 (1990).

36. M.F. Crommie, G. Briceno, A. Zettl, Physica C, 162-164, 1397 (1987).

37. J.R. Cooper, S.D. Obertelli, A. Carrington, J.W. Loram, W.Y. Liang, Physica C, 185-189,1265 (1991).

38. M. Sera, S. Shamoto, M. Sato, Solid. State Commun. 68,649 (1988).

39. R.C. Yu, M.J. Naughton, X. Yan, P.M. Chaikin, F. Holtzberg, R.L. Creene, J. Stuart, P. Davies, Phys. Rev. B 37, 7963 (1988).

40. J.H. Cohn, S.A. Wolf, V. Selvamanickam, K. Salama, Phys. Rev. Lett. 66, 1098 (1991).

41. A.J. Lowe, S. Regan, M.A. Howson, Phys. Rev. B 44, 9757 (1991).

42. A.B. Kaiser, C. Uher, Aust. J.Phys. 41, 597 (1988).

43. A.B. Kaiser, Phys. Rev. B 40, 2806 (1989).

44. B.L. Gallagher, B.J. Heckey, J.Phys. F 15, 911 (1985)

45. A. Vilenkin, P.L. Taylor, Phys. Rev. B 20, 576 (1979).

46. G. Balestrino, S. Martellucci, P.G. Medagli, A. Paoletti, G. Petrocelli, Physica C, 302, 78, (1998).

47. G. Balestrino, S. Martellucci, P.G. Medagli, A. Paoletti, G. Petrocelli, A.A. Varlamov, Phys. Rev. B 58, R8925 (1998).

48. G. Balestrino, S. Lavanga, S. Martellucci, P.G. Medagli, A. Paoletti, G. Pasquini, G. Petrocelli, A. Tebano, A.A. Varlamov, L. Maritato, M. Salvato, Phys. Rev. B 62, 9835 (2000).

49. C. Bernhard, J.L. Tallon, Phys. Rev. B 54, 10201 (1996).

50. V.E. Gasumyants, M.V. Elizarova, I.B. Patrina, Phys. Rev. B 59, 6550 (1999).

51. M. V. Elizarova and V. E. Gasumyants, Phys. Rev. B 62, 5989 (2000).

52. A.Yamamoto, W.Z. Hu, S. Tajima, Phys. Rev. B 63, 024504 (2000).

53. J.L. Tallon, J.R. Cooper, P.de Silva, V.M. Williams, J.M. Loram, Phys. Rev. Lett. 75,4114 (1995).

54. D.V.Livanov, S.I.Manokhin "Electron-phonon scattering and thermoelectric power of high-temperature superconductors", Physica B: Condensed Matter, Volumes 316-317, May 2002,p.p 335-338.

55. M.Putti, D.Marre, M.Tassisto, G.Balestrino, P.G.Medaglia, M.Salluzzo, D.V.Livanov, S.I.Manokhin "Seebeck effect in thin films and superlattices of cuprate superconductors", submitted to World Scientific 08.04.2002.

56. B.JI.rHH36ypr, OTT 2, 2031, (1960).

57. L.G.Aslamazov, A.I.Larkin, Soviet Solid State, 10, 875 (1968).

58. K.Maki, Progr.Theor.Phys., 39, 897, (1969);59