Статические и динамические характеристики электронной спиновой системы высокотемпературных сверхпроводников Tl2Ba2CuO6+x тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК _ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА_

) ~ ' На правах рукописи

ВЯСЕЛЕВ Олег Муратович

УДК 537.312.62

СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЭЛЕКТРОННОЙ СПИНОВОЙ СИСТЕМЫ

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ П2Ва2СиОб+х.

Специальность 01.04.07 — Физика твердого тела.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноговка 1995.

Работа выполнена в-Институте физики твердого тела РАН.

Научный руководитель: Профессор, академик РАН

И.Ф.Щеголев

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук Г.М.Элиашберг, Доктор физико-математических наук И.И.Тартаковский.

Ведущее предприятие: Казанский Государственный Университет.

Защита состоится " " 1995г. в (о час.

на заседании Специализированного совета Д 003.12.01

при Институте физики твердого тела РАН по адресу:

142432, Московская обл., Ногинский район, П.Черноголовка, ИФТТ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела РАН

Автореферат разослан "Д" 1995г.

Ученый секретарь

Специализированного совета доктор физико-математических наук

В.Д.Кулаковский

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Исследование электронных свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) является одним из актуальных направлений в физике твердого тела. Интерес к этим объектам определяется, во-первых, перспективами использования ВТСП для создания криозлектронных устройств, не требующих сверхнизких температур, а во-вторых тем, что природа возникновения высокотемпературной сверхпроводимости, также как и большое количество физических эффектов, наблюдаемых в ВТСП-материалах, не получили однозначного объяснения. В частности, известно, что незначительное изменение кислородного индекса в этих веществах приводит к весьма существенным вариациям температуры СП перехода. Однако однозначного представления о том, каким образом содержание кислорода влияет на Тс, до сих пор нет, хотя очевидно, что этот вопрос может оказаться ключевым для понимания природы ВТСП. Отчасти это связано со сложной структурой этих систем, а также с тем, что они, как правило, по определению неоднородны. Например, кристаллическая структура соединения УВагСизОб+х с 0<х<1 составлена фазами "тетра" (пустые цепочки Си-О), "орто-Г (наполовину заполненные цепочки) и "орто-Н" (заполненные цепочки). При варьировании кислородного индекса происходит изменение температуры сверхпроводящего перехода, но также при этом изменяется и фазовый состав материала, что, несомненно, усложняет интерпретацию экспериментальных результатов.

В этом плане система Т12Ва2СиОб+х представляется наиболее выгодной, т.к. она в принципе однофазна, и Тс в ней может изменяться от «100 до ОК при весьма небольшом увеличении содержания кислорода от х=0 до 0,1+0,2, не сопровождающемся изменениями кристаллической структуры. Это облегчает задачу отыскания именно тех эффектов, которые связаны только с изменениями свойств электронной системы.

Среди возможных причин для уменьшения Тс при допировании наиболее вероятными представляются следующие: ослабление энергии связи в куперовской паре и введение магнитной примеси. Согласно некоторым существующим теориям, возникновение ВТСП связано с наличием антиферромагнитных (АФ) электронных спиновых флуктуации в плоскостях СиОг, которые обеспечивают большую энергию связи электронов в паре. Поэтому оба вышеприведенных механизма подавления Тс должны приводить к изменению магнитных свойств соединения как в нормальном, так и сверхпроводящем состоянии. Перспективным методом выяснения того, который из них реализуется, является ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Он относится к числу наиболее информативных методов при исследовании твердых тел, поскольку использует ядерный спин в качестве локального зонда в

электронной спиновой системе, весьма чувствительного к изменению ее свойств, и позволяет изучать ее статические и динамические характеристики в различных позициях кристаллической структуры. В то же время, для ЯМР несущественно состояние поверхности образца, так как этот тонкий слой содержит мизерное, по сравнению со всем объемом, количество ядер, и сигнал от них нерегистрируем. Кроме того, методы ЯМР позволяют определить, обладает ли некотороым свойством весь образец в целом, либо оно присуще лишь его части. То есть, иными словами, возможно определение фазового состава образца.

Целью работы было экспериментальное изучение поведения спиновой восприимчивости СП ПгВагСиОб+х при увеличении концентрации кислорода для выяснения механизма его влияния на Тс- В работе измерялись сдвиг линий ЯМР, времена спин-решеточной релаксации 7"1 и ширина линии ЯМР Д1/2. Измерения проводились на ядрах 63Си и 205Т1.

Научная новизна работы заключается в следующих результатах, выносимых на защиту:

1. Разделены спиновый и орбитальный вклады в сдвиг линии ЯМР 205Т1; вычислены значения ван-флековской и спиновой восприимчивостей, а также константы сверхтонкого взаимодействия.

2. Выяснено, что орбитальная часть сдвига линии 205Т1 анизотропна и одинакова для образцов с различными Тс; что валентное состояние Т1 не является ни Т11+, ни Т13+, и рост кислородного индекса не меняет этого состояния.

3. Обнаружено, что допирование системы Т1:2201 кислородом не приводит к заметному изменению количества атомов Си, занимающих часть позиций Т1 в плоскостях ТЮ.

4. Показано, что электронная система соединения существенно локализована в плоскостях СиОг.

5. Выяснено, что и в этом соединении, не являющемся антиферромагнетиком в исходном (недопированном) состоянии, присутствуют электронные спиновые корреляции антиферромагнитного типа. При увеличении содержания кислорода они ослабляются, на что указывают следующие экспериментальные факты:

•Рост статической спиновой восприимчивости и одновременное уменьшение скорости спин-решеточной релаксации 63Си и 205Т1;

•Уменьшение анизотропии скорости релаксации 63Си.

6. Получены прямые экспериментальные указания на наличие в системе локальных парамагнитных центров, а именно:

•Существование зависящего от поля вклада в скорость ядерной спин-решеточной релаксации при низких температурах;

•Неэкспоненциальная зависимость сигнала ядерной намагниченности езСи от времени.

Показано, что именно избыточный кислород ответственен возникновение этих центров, и их число растет по мере допирования, что может являться основной причиной уменьшения Тс в этом соединении.

7. Наблюдены эффекты, которые могут быть следствием увеличения концентрации магнитных центров при допировании: •Уменьшение относительной сверхпроводящей идели Д/Гс; •Появление возбужденных состояний при Г->0.

Практическая ценность работы определяется насущностью проблемы создания сверхпроводников с высокими температурами перехода, которая не может быть решена без осмысления механизма ВТСП. Результаты данной работы позволяют установить причину подавления сверхпроводимости при допировании соединения Т1:2201 кислородом и дают основу для нового понимания природы высокотемпературной сверхпроводимости.

Апробация работы. Результаты исследований, изложенных в диссертации, докладывались на Семинаре по физике низких температур "ИФТТ (Черногодовка) - MPI (Stuttgart)" (Штуттгарт-Рингберг, Германия, 1992), XXIX Совещании по физике низких температур (Казань, 1992), V, VIII Российско-Немецко-Украинских семинарах по проблемам ВТСП (Клостер-Банц 1992, Львов 1995), Французско-Российском семинаре по проблемам нейтронного рассеяния (Гатчина, 1993), Международной конференции для молодых ученых "Physique en Herbe" (Монпелье, Франция, 1994), Международном Конгрессе Ампера (Казань, 1994).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 5-и глав, Заключения и Списка опубликованной литературы.

Основное содержание работы.

Во Введении обоснован выбор темы диссертации, сформулированы цели и основные результаты работы, указана структура диссертации.

В главе 1 (Литературном обзоре) рассмотрены особенности кристаллического строения соединения Т^ВагСиОе+х- Сделан обзор основных результатов предшествующих исследований ВТСП-составов методами неупругого рассеяния нейтронов, ЯМР и др. Изложены основные принципы ЯМР и связь его параметров со свойствами электронной системы в металле.

Исследования соединений ВТСП, проведенные в течение последних лет, обнаружили ряд специфических свойств, характерных для всего класса этих материалов. Прежде всего, важной структурной особенностью высокотемпературных сверхпроводников является наличие перовскитных слоев СиОг, благодаря чему их электронная система характеризуется сильным обменным взаимодействием

антиферромагнитного (АФ)'типа. На это указывают данные по неупругому рассеянию нейтронов и ЯМР. Причем в сверхпроводящем состоянии АФ корреляции исчезают, т.е. переход происходит в этой же электронной системе.

При допировании кислородом соединений УВагСизОб+х (УВСО) и Т12Ва2Си06+х (Т1:2201), а также стронцием — 1_а2-хЗгхСи04 (ЬБСО), измене ния их физических свойств носят общий характер, а именно:

• уменьшается удельное сопротивление и коэффициент Холла в нормальном состоянии;

• увеличивается однородная статическая спиновая восприимчивость ;

• уменьшается амплитуда АФ флуктуации.

В связи с этим считается, что допирование приводит к обогащению вещества свободными носителями, и это, в свою очередь, подавляет АФ корреляции. Если предположить, что образование СП конденсата индуцируется этими корреляциями, то повышение Тс с увеличением концентрации лиганда в недодопированных системах (УВСО) можно объяснить уменьшением степени локализованности электронов, а понижение Тс в передопированном Т1:2201 — ослаблением АФ корреляций.

Однако эксперименты по измерению плазменной частоты и электронного вклада в теплоемкость для передопированного ИгВагСиОб+х показали, что концентрация носителей и плотность состояний остается неизменной с 5+7% точностью в образцах с х=0-г0,2 (Гс=Ю(кОК). С другой стороны, наличие Кюри-подобного вклада в восприимчивость указывает на присутствие в этой системе локализованных парамагнитных центров с концентрацией, растущей по мере допирования кислородом. Таким образом, механизм влияния допирования на Тс в Т1:2201 может быть иным, нежели в недодопированных системах, и требует подробного изучения.

Глава 2 (Образцы и методика эксперимента) содержит описание технологии приготовления образцов и экспериментальных методик.

Исходным материалом для изготовления образцов были монокристаллы Т1:2201 с 7с=115+32К, полученные в процессе медленного охлаждения расплава, состоящего из смеси различных оксидов Л, Ва и Си. Для получения кристаллов с различными температурами сверхпроводящего перехода варьировалось парциальное давление кислорода при охлаждении. Выращенные кристаллы представляли собой пластинки с характерными размерами 0,5+1 мм в плоскости и ~100+300мкм по толщине.

Для измерений ЯМР в сверхпроводящем состоянии было изготовлено два поликристаллических образца с 7"с=32 и 100К. Для каждого из них ~15 монокристаллов было измельчено в мелкодисперсный порошок, который перемешивался с эпоксидной смолой 51уса51 1266 в пропорции -1:10 и помещался в поле 7Тесла (ось цилиндра

располагалась перпендикулярно направлению внешнего поля). В результате такой процедуры кристаллиты стремятся сориентироваться осью с вдоль направления поля, и после полимеризации получается образец, сохраняющий, с точки зрения ЯМР, свойства монокристалла.

Измерения ЯМР проводились на импульсном спектрометре Вгикег МЭЬЗОО. Для определения позиции и ширины линии ЯМР использовалась импульсная последовательность "спиновое эхо" (л/2-х-л-т-регистрация) с последующим фурье-преобразованием полученного сигнала. Времена спин-решеточной релаксации измерялись методом "инверсии-восстановления" (л-^7с/2-т-я-т-регистрация) либо "насыщения-восстановления" (я-т1-я-...- Г-7г/2-т-я-т-регистрация).

В Главе 3 (Сдвиг Найта и статические характеристики спиновой системы Т1:2201) обсуждаются результаты по измерениям сдвига линии ЯМР в образцах ПгВагСиОд+х. Изучались температурные, угловые и полевые зависимости резонансной частоты. Основная цель исследований заключалась, во-первых, в выяснении влияния допирования кислородом на электронную статическую спиновую восприимчивость, которая связана с плотностью состояний и степенью коррелированное™ электронной системы. Вторая задача — изучение поведения спиновой восприимчивости в СП состоянии, что может дать информацию об энергии взаимодействия в куперовской паре в образцах Т1:2201 с различным содержанием кислорода.

Частота ЯМР в металле определяется, помимо внешнего поля Но, локальными полями, создаваемыми электронами на позиции ядра:

где К1 и К3 — соответственно орбитальный и спиновый сдвиги частоты, связанные с орбитальным движением электронов оболочек атома и спиновым магнетизмом электронов проводимости. К1- пропорционален ван-флековской восприимчивости хт и характеризует валентное состояние атома. Как правило, К1- не зависит от температуры.

Сдвиг Найта К3 пропорционален хэ — электронной статической спиновой восприимчивости, которая в нормальном состоянии характеризуется плотностью состояний на поверхности Ферми Ы{0), а кроме того, зависит от наличия электрон-электронных спиновых корреляций, и т.о.

где Вс описывает корреляции. В СП состоянии сдвиг Найта вымерзает из-за уменьшения плотности состояний:

(1)

К^Х5осЛ/(0)/(1+Вс),

(2)

/^асв-'/Г

(3)

где д —сверхпроводящая щель.

В первом разделе главы анализируются результаты измерений сдвига линии ЯМР 205Т1 в образцах Т1:2201 с Гс=100, 60 и 32К. На рисунке 1 представлены температурные зависимости 205К для "100К" и "32К" образцов, измеренные при различных значениях приложенного поля в

Рисунок 1.

Температурные зависимости сдвига линии ЯМР 205Т1 в Т1:2201 с Гс=Ю0К (квадраты) и 32К (кружки), а) Н|(ай) Ь) Н»с. Пустые символы, заполненные

символы и символы с крестами: 7Т, 3,6Т и 1,8Т, соотв. Сплошные линии: подгонка по формуле (3).

В нормальном состоянии 205К во всех образцах не зависит от температуры и возрастает при понижении Тс- При охлаждении ниже Тс наблюдается закономерное падение частоты резонанса.

В ориентации Н\(аЬ) (рис. 1а) при Т<ТС 205К не зависит от величины приложенного поля. Следовательно, уменьшение сдвига частоты здесь связано с вымерзанием однородной спиновой восприимчивости и, соответственно, сдвига Найта К® Как показано на рис. 1а, уменьшение К5 в СП состоянии неплохо описывается формулой (3), причем причем величина А/Тс Для образца "100К" составляет «2,3, а для "32К" — «1,4.

Когда поле приложено поперек слоев (рис.1 Ь), сдвиг линии в сверхпроводящем состоянии сильно зависит от поля. Очевидно, что это связано с заметным эффектом Мейсснера и значительной долей нормального состояния внутри вихревых коров. Поэтому сдвиг линии при Т<Тс анализируется лишь для ориентации Н\{аЬ) (рис.1а).

При Т->0 остаточный сдвиг 205КаЬ(0) возрастает по мере понижения Тс образца. Это может быть связано как с наличием остаточных состояний в образцах с низкими Тс (например, из-за наличия магнитных примесей), так и с изменением валентности Т1 при допировании. Измерения угловых зависимостей 205К на монокристаллах Т1:2201 с 7с=100, 60 и 32К показали, что рост сдвига линии при допировании не сопровождается изменением углового наклона г05К. Следовательно, при

увеличении кислородного индекса возрастает изотропный спиновый сдвиг К3, а стало быть и статическая спиновая восприимчивость хв- Как уже отмечалось, плотность состояний и число носителей в Т1:2201 может изменяться при допировании весьма незначительно (в пределах 5-5-7%), поэтому полуторакратный рост № при уменьшении Тс от 100 до 32К (см. таблицу 2), скорее всего, связан, согласно ф-ле 1, с ослаблением АФ корреляций (уменьшением Во).

Орбитальный сдвиг К1- остается при допировании неизменным, что говорит о сохранении валентного состояния Т1. Знак анизотропии 205К1 (КдЬ>Кс) указывает на присутствие 6р7 электрона на орбите, т.е. валентность Т1 не является в точности Т13+.

Поведение кривых КдЬ(Т) при низких температурах (вставка к рис.1а) указывает, что разница в значениях К);ь(Т-*0) для образцов с различными Тс возникает из-за роста при допировании числа нормальных возбуждений при Г->0, что может происходить из-за увеличения концентрации магнитных центров.

Таким образом удалось разделить орбитальный и спиновый вклады в сдвиг линии 205Т1. Они сведены в таблицах 1 и 2".

205кН%) б3 КУ(%) Xw(Cu) (см3/моль)

Wie 0,07+0,01 1,27+0,03 (7,Э7±0,03)х10"5

Hl (ab) 0,314±0,003 0,24 (1,53±0,03)х10-5

Таблица 1. Орбитальные сдвиги в TI.-2201.

7с(К) 205К? (%) бЗК^НЦс) (%) ™К?(Н\(аЬ)) (%) Xs (см3/моль)

100 0,047 0,22 0,42 1,13х10-4

60 0,060 0,25 0,49 1,44x10"4

32 0,073 0,32 0,59 1,75x10"4

Таблица 2. Сдвиги Найта для образцов Т1:2201 с различными Тс-

Во втором разделе главы определены значения xw и Xs. Для чего были использованы данные1 по измерению восприимчивости монокристалла Т1:2201 с 7с=100К в нормальном состоянии, проведенному при помощи СКВИД-магнетометра, согласно которым хв6Мд=-6,54х10' 5см3/моль; хс^А=-0,0Эх10"5см3/моль, а также значение диамагнитной восприимчивости хсогеМА=-1,93х10~4смэ/моль. Результаты содержатся в таблицах 1 и 2.

На основе подхода ММа и Rice предложена схема сверхтонких взаимодействий и записан гамильтониан, имеющий вид:

"Данные по сдвигам 63Си взяты из рабогы Y. Kitaoka et в/., Physica С 179 (1991) 107-118.

1 J.H.Cho, M.P.Maley (частное сообщение).

fAu, = 21

63у

A«-6\Sk+BZ6\Sk+s ИуDZ20\Sk,,

(4)

где Aa и S — сверхтонкие константы связи ядра 63Си со "своим" электроном и с электронами соседних атомов Си, D связывает 205Т1 с соседним Си; 5 нумерует четыре атома Си, соседних к медному ядерному спину к, а 5' — "половину" атома Си, ближайшего к таллиевому ядерному спину к (по два Си на один TI). На основе полученных значений спиновой восприимчивости (табл.2) расчитаны значения констант сверхтонкой связи: Лс=-82,4кЭ; Д,ь=17,6кЭ; В=45,6кЭ; 0=46кЭ.

В Главе 4 (Ядерная спин-решеточная релаксация и динамика электронной спиновой системы) дан анализ температурного поведения скорости спин-решеточной релаксации (ССРР) W ядер 205TI и 63Си при значениях приложенного поля от 0,5 до 7 Тесла в образцах Т1:2201 с Тс=100 и 32К. Задача заключалась в выделении электронного вклада в ССРР и изучении поведения низкочастотной спиновой динамики электронной системы в СП состоянии. Для исследования влияния кислорода на амплитуду АФ корреляций анализировалась ССРР в нормальном состоянии.

В первом разделе главы обсуждаются результаты измерения ССРР 205TI. Измерения проводились как при НЦаЬ), так и при Н|с, и качественно поведение 205W оказалось одинаковым для обеих ориентации. Однако, как отмечалось в главе 3, во втором случае анализ результатов затруднен необходимостью учитывать эффект Мейсснера и долю нормального состояния в корах вихрей, поэтому основное внимание уделяется случаю НЦаЬ).

Во всем диапазоне температур рост ядерной намагниченности после насыщающих импульсов хорошо описывался одноэкспоненциальной кривой, что естественно для двухуровневой системы (спин 205TI 1/2). Зависимости Z05W{T)/T для двух образцов, измеренные в разных полях, показаны на рис.2а и 2Ь.

Первое, что привлекает внимание на рис.2 — это возрастание ССРР при уменьшении поля при низких температурах. Т.к. такое поведение 205W в "32К" образце заметно уже выше Тс (рис.2Ь), то это не может связываться с флуктуациями вихревой решетки. Оказалось, что зависимость 205W(H) имеет вид

205ИГ(Н)х[1-йлЛ2(цвН/квГ)][1+(ют)2]-1+205и^, (5)

где (о=уH — частота ЯМР, ив — магнетон Бора, 2Û5W — вклад в релаксацию, не имеющий полевой зависимости.

Первое слагаемое в (5) имеет вид, свойственный ядерной релаксации через локализованные магнитные центры (ЛПЦ), связанные с ядерным спином диполь-дипольным взаимодействием. Первый множитель в нем определяет насыщение магнитного момента ЛПЦ в

сильных полях и при низких температурах, а второй описывает лоренцев спектр флуктуаций ЛПЦ; при этом т соответствует времени спин-решеточной релаксации ЛПЦ.

Г (К)

100

V о 3.10 t:

3?

ДЛДДД* VV

+-КжЯгЙЙШН Û

4+ ++ "" W

и

,сР

Ь)

Ю

Г( К)

100

Рисунок 2.

Температурные зависимости 205W/r в Т1:2201 (Н|(ай)): а) ГС=100К; Ь) Гс=32К;

V-0.5T; 0-0.9Т; Д-1.8Т; +-3.6Т; U-7T.

Очевидно, что дипояь-дипояьное взаимодействие зависит от расстояния как г3, и в результате ядра на разном расстоянии от ЛПЦ релаксируют с разными скоростями, что должно приводить к неэкспоненциальному во времени поведению ядерной намагниченности после насыщения. В данном случае этого не происходит благодаря быстрой спиновой диффузии, выравнивающей ССРР разных ядер.

Таким образом, наличие полевой зависимости 205W свидетельствует о наличии в системе ЛПЦ. Не зависящий от поля вклад 205we, очевидно, соответствует релаксации через свободные носители. Пользуясь ф-лой (5), мы разделили 205ууппц (вклад от ЛПЦ) и 2051Д^. Оказалось, что 205!Д^ПЦ в -10 раз выше в "32К" образце, что, вероятно, связано с большей концентрацией ЛПЦ в этом образце. Определено, что т ЛПЦ составляет для обоих образцов «10'8сек при 4,2К и быстро уменьшается с температурой.

Во втором разделе главы рассматривается ССРР 63Си. В нормальном состоянии временная зависимость сигнала ЯМР A(t) после инвертирующего импульса представляла собой двухэкспоненциальную кривую, что характерно для четырехуровневой системы (спин 63Си 1=3/2) в кристаллическом поле с симметрией ниже кубической. Однако при достаточно низких температурах кривые A(t) оказались существенно неэкспоненциальными.

На рис.3 начальный участок кривых A(t) для двух изучаемых образцов при 7=4,2К показан в зависимости от f1/3. Хорошо заметно, что при малых t выполняется закон A(tyrti/3. Очевидно, что при экспоненциальном поведении A(t) при малых t должно быть A(t)xt. С другой стороны, можно

V

□

î 111111111 Ï i « 111.

легко показать, что для ядерной релаксации через ЛПЦ, в случае очень медленной спиновой диффузии и двумерной решетки ядерных спинов, /l(f)xnmf1/3, где лт — концентрация ЛПЦ*. Вычисления дают лт«1,7% и 6,7% для "32К" и "100К-образцов, соотв.

Используя подход

Абрикосова и Горькова, можно показать, что такого увеличения концентрации ЛПЦ в принципе достаточно для подавления Тс от 100 до 32К, если принять, что образец без примесей имеет 7ро-1ЮК ' (о получении монокристаллов с такой 7"с докладывалось в печати). При этом естественным образом объясняется наблюдаемое по поведению сдвига Найта уменьшение величины Д/Тс при допировании: известно, что щель сильнее, чем Тс, подавляется магнитной примесью.

Для теоретического описания зависимости A(t) при любых t был использован закон Ферстера exp(-Wt)1/3 для релаксации двумерной системы через локализованные центры:

4

f1/3 (мсек,/3)

6

1/3,

8

Рисунок 3. Закон "71/3* для начального участка восстановления намагниченности ^Си в Т1:2201.

A(t) = А(о

1-М

-siwt+Vw™ t) -iwt+4wm t)

(6)

где IVе и И/^пЦ — ССРР 63Си через электроны проводимости и ЛПЦ, соотв. Выражение (6) хорошо описывало экспериментальные точки при низких температурах, причем 1/Улпц имела полевую зависимость как в формуле (5), а И»"3 от поля не зависела. Таким образом, и поведение ССРР 63Си указывает на наличие в системе ЛПЦ с концентрацией, возрастающей по мере допирования.

Третий раздел главы посвящен анализу температурного поведения релаксации через собственную систему соединения, 631/ИЭ и 205ИЛ>. Для обоих образцов при 7>ГС бзу^гоэ^ как при нЦаЬ), так и при Н||с, причем приведенная ССРР ИЛУу2 всегда выше у 63Си, чем у 205Т1. В нормальном состоянии 1/ИуГ выше в образце с меньшей Тс, и в обоих образцах растет при понижении температуры и намного превышает

Медленная спиновая диффузия здесь (в противоположность быстрой для г05Т|) объясняется крайне большим неоднородным уширением линии иСи из-за разброса градиентов электрических полей в кристалле и, соответственно, квадрупольных сдвигов. Как результат, затрудняется взаимодействие (с сохранением энергии) между соседними ядерными спинами. На ядерную систему 205Т1 (/=1/2) кристаллические поля не действуют.

величину itftkBÍr^/nB)2. т.е. закон Корринги, свойственный металлам с электронной системой без корреляций, не выполняется.

При помощи сверхтонкого гамильтониана (4) были получены аналитические выражения для ССРР 63Си и 205Т1, которые позволили объяснить ряд наблюдаемых эффектов. Наличие анизотропного форм-фактора Аа приводит к наблюдаемой анизотропии 63lVe, в то время как го5ууе изотропна (форм-фактор D изотропен). Подобие кривых. I/H^T) для 63Си и 205Т1 следует из того, что релаксация на обеих позициях определяется средним по волновым векторам q значением мнимой части динамической спиновой восприимчивости x"(q) одной и той же электронной системы, в значительной мере локализованной в слоях CuO¿ (поэтому 205{И^/у2)<63(1/Уе/у2)). Большая по сравнению с корринговской величина ССРР может возникать из-за наличия АФ корреляций, т.к. при этом существенно возрастает х"(#) (0=-.{п/а, ж/а)). Т.к. сдвиг Найта определяется статической восприимчивостью (с д= О), это нарушает согласованность между откликами электронной системы на постоянное и переменное магнитное поле, которая свойственна обычным металлам. Рост W^/T при охлаждении связан, очевидно, с увеличением %"(Q), вызванным, в свою очередь, изменением длины АФ корреляций.

Тот факт, что IVе уменьшается при допировании, в то время как К? увеличивается, свидетельствует об ослаблении АФ корреляций. Анализ полученных выражений для ССРР 63Си позволяет показать, что наблюдаемое уменьшение анизотропии 63№Е при понижении Тс также указывает на это.

При 7с/2<Т<7с И/6 быстро падает из-за уменьшения числа нормальных возбуждений. Поведение ССРР в этом интервале также одинаково для обеих позиций решетки и является щелеподобным: И^ссв' л'т с Д/7С=2,8 и 1,3 для " 100К" и "32К" образцов, соотв., что близко в значениям, полученным из зависимостей /^(Г).

При 7<7"с/2 наблюдается различие между поведением 63IVе и 205W®. Зависимость 63W®(T) в обоих образцах становится степенной: ^Vi^xt1^, что указывает на наличие нулей щели. Однако при 7=0 возбужденных состояний, по-видимому, нет, т.к. в этом случав 63ИЛуГ(0)=0.

В таллиевом же слое при этих температурах 205И^осГ, причем величина 205W/T почти на порядок выше в образце с 7с=32К. Это свидетельствует о наличии в этом слое остаточных состояний, причем их число растет по мере допирования и, соответственно, увеличения концентрации ЛПЦ. Поэтому, вероятно, появление возбужденных состояний при Т-»0 связано с магнитными центрами. Отсутствие нормальных возбуждений в медном слое и их присутствие в таллиевом указывает, возможно, на то, что ЛПЦ локализованы вблизи слоев TIO.

В Главе 5 (Ширина линии ЯМР 205Т1) изучены механизмы, приводящие к уширению линии 205Т1 в системе Т1:2201. Задача состоит в определении однородного вклада в ширину линии и анализе

температурного поведения неоднородного вклада в нормальном и сверхпроводящем состояниях.

В первом разделе главы анализируется ширина линии 205Т1 д^г в нормальном состоянии. Обнаружено наличие полевой зависимости Л1/2, имеющей вид Луг(Н) = д"/2 + аН, где Д"/2 — однородная ширина линии, определяемая межъядерными спин-спиновыми взаимодействиями. Аппроксимация дает Д"/2(Н|(аЪ))«7кГц, аай»10кГц/Т и Д°/2(НЦ(с))«15кГц, ас«12кГц/Т. В обеих ориентациях Лу2 примерно на порядок больше величины, возникающей при учете только прямЬго диполь-дипольного взаимодействия.

Наличие а*0 говорит о неоднородном уширении линии ЯМР. Источником такого уширения могли бы быть ЛПЦ. Однако расчеты показывают, что при 7"=ЗООК и Н=7Т для ядра, отстоящего от ЛПЦ с S= 1/2 на расстоянии постоянной решетки а*4х10_асм, сдвиг частоты составит лишь «бкГц, что на порядок меньше наблюдаемого уширения.

В качестве возможной причины неоднородного уширения линии могут выступать атомы Си, замещающие ~5 -~7% позиций TI. Это приводит к локальным искажениям решетки, что, в свою очередь, может вызывать разброс орбитальных сдвигов 205TI.

Обнаружен рост ширины линии при охлаждении в нормальном состоянии. Вероятно, это связано с вымерзанием колебаний атомов в решетке, которые усредняют разброс К1.

Неоднородное уширениэ в нормальном состоянии оказалось одинаковым для образцов с Тс от 32 до 100К. Таким образом, количество позиций Си в слоях ТЮ не меняется при допировании.

Во втором разделе главы изучено неоднородное уширение линии ЯМР в СП состоянии при с|Н=0,5Т для образца с 7с=32К. В таком слабом поле неоднородне уширения в нормальном состоянии мало, а при Т<Тс его причиной является модуляция поля по образцу из-за наличия вихревой решетки. При этом второй момент неоднородной ширины линии соответствует второму моменту распределения поля в образце, которое обратно пропорционально квадрату глубины проникновения X. Температурное поведение X имеет вид

ЦО)/ЦТ)=[ 1 -(Т/Тс)п]1/2. (7)

причем п-2 или 4 для сверхпроводников соответствено со слабой и сильной связью.

Измерения показали, что наблюдаемая температурная зависимость неоднородной ширины описывается ф-лой (7) с л«2,3, что ближе к случаю слабой связи. Получающаяся при этом глубина проникновения Áab(0)«2970A.

В Заключении сформулированы основные результаты работы, которые состоят в следующем:

1. Разделены спиновый и орбитальный вклады в сдвиг линии ЯМР 205TI; вычислены значения ван-флековской и спиновой восприимчивостей, а также константы сверхтонкого взаимодействия.

2. Выяснено, что орбитальная часть сдвига линии 205Т1 анизотропна и одинакова для образцов с различными Тс; что валентное состояние TI не является ни Т11+, ни Tl3+, и рост кислородного индекса не меняет этого состояния.

3. Обнаружено, что допирование системы Т1:2201 кислородом не приводит к заметному изменению количества атомов Си, занимающих часть позиций TI в плоскостях ТЮ.

4. Показано, что электронная система соединения существенно локализована в плоскостях СиОг-

5. Выяснено, что и в этом соединении, не являющемся антиферромагнетиком в исходном (недопированном) состоянии, присутствуют электронные спиновые корреляции антиферромагнитного типа. При увеличении содержания кислорода они ослабляются, на что указывают следующие экспериментальные факты:

•Рост статической спиновой восприимчивости и одновременное уменьшение скорости спин-решеточной релаксации 63Си и 205TI;

•Уменьшение анизотропии скорости релаксации 63Си.

6. Получены прямые экспериментальные указания на наличие в системе локальных парамагнитных центров, а именно:

•Существование зависящего от поля вклада в скорость ядерной спин-решеточной релаксации при низких температурах;

•Неэкспоненциальная зависимость сигнала ядерной намагниченности 63Си от времени.

Показано, что именно избыточный кислород ответственен возникновение этих центров, и их число растет по мере допирования, что может являться основной причиной уменьшения Тс в этом соединении.

7. Наблюдены эффекты, которые могут быть следствием увеличения концентрации магнитных центров при допировании:

•Уменьшение относительной сверхпроводящей щели А/Тс;

•Появление возбужденных состояний при Т->О.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих научных работах:

1. O.M.Vyaselev, N.N.Kolesnikov, M.P.Kulakov, and I.F.Schegolev, TI NMR study of Т1гВа2Си06 single crystals with various Tc, Physica С 199 (1992) 50-58.

2. O.M.Vyaselev, N.N.Kolesnikov, M.P.Kulakov, and I.F.Schegolev, Inhomogeneous г05Т1 NMR line broadening in Т1гВагСиОх single crystals, Physica С 200 (1992) 434-436.

3. О.М.Вяселев, Н.Н.Колесников и И.Ф.Щеголев, Переход от режима сильной связи к режиму слабой связи при понижении Тс в системе

Т/гВвгСиОе+х, Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 59 (1994) 663-666;

4. О.М.Вяселев, Н.Н.Колесников и И.Ф.Щеголев, Существование низколежащих электронных спиновых возбуждений в сверхпроводящем состоянии системы Т1гВагСиОб+х, Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 60 (1994) 810-814.

5. N.N.Kolesnikov, M.P.Kulakov, V.N.Molchanov, I.F.Schegolev, V.I.Simonov, R.P.Shibaeva, RATamazyan, and O.M.Vyaselev, Comparative study of Tl-2201 single crystals by means of X-ray analysis and NMR, Physica С 242 (1995) 385-392.

6. O.M.Vyaselev and I.F.Schegolev, NMR evidences for the presence of local magnetic centers produced by excessive oxygen in Т^ВагСиОб+х, Proceedings of the VIII Russian-German-Ukrainian Seminar on HTC (Lviv 1995).

Отпечатано TOO «Принт» г. Ногинск, теа (8-251) 5-29-51