Туннельный эффект в монокристаллах высокотемпературногно сверхпроводника Bi2Sr2CaCu2O3 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 од

РОССИЙСКАЯ АКЛЛЕМИк НАУК Физический институт им. П. Н. Лебедева

На правах рукописи УЛК 537.312.62

Пьет ков Артем Александрович

Туннельный аффект в монокристаллах высокотемпературного сверхпроводника ВЬ8г,СаСи30в

(Специальность 01.04-07 - Фпзижа твердого т&ла)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата

I

физико-математических наук

МОСКВА -1994

Работа выполнена в лаборатории физпхи сверхироводвиковы* структур Отделения физики твердого тела Физического институт? им.П.Н.Лебедеза РАН

Ньучныс руководители:

доктор физико-математических наук Веденеев С.И.,

кандидат физико-математических наук Степанов В.А.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Жижин Г.Н.

Институт спектроскопии РАН, кандидат физико-математических наук Долгов О.В.

Отделение Теоретической Физики им.И.Б.Тамма Физический Институт им.П.Н.Лебедева

Ведущая организация:

Московский Государственный Университет ни.М.В.Ломоносова

Защита состоится "_" _1994 г. в _часов

на заседании Специализированного совета К 002.39.01 Физического института км.ГЬН.Лебедева РАН по адресу: г.Москва, Л пинский проспект, 53.

С диссертацией можнп ознакомиться в библиотеке ФИАН. Автореферат разослан "__"_1994 г.

Учеаый секретарь Специализированного совета

кандидат физико-математических наук В.А.Чуенков

\

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Высокотемпературные сверхпроводники (БТСП) являются объектом широких исследований уже более семи лет. Однако до сих пор природа ВТСГ1 окончательно не яснг.

Электронная туннельная спектроскопия зарекомендовала себя наиболее информативным методом изучения механизма сверхпроводимости. Туннельный аффект позволяет определить вид плотности состояний квазичастичных возбуждений пбяши поверхности Ферми, измерить величину ь к сргетической щелк Д, ее теилератур-ную зависимость Д(Т), получить информацию о механизме спаривания и в случае електрон-фононзого взаимодействия (ЭФВ) извлечь параметры ЭФВ, которыми определяется Те: константу олектрон-фоЕ^зпой связи А, кулоновскай псевдопотенциал ц* и спектральную функцию ЭФВ а,Р(о;) (функцию Элпашберга).

Во многих вкспериментах высокотемпературные сверхпроводники проявляют аномальные, по сравнению с низкотемпературными, свойства, для объяснения которых стали привлекаться петра-£ ГЩЮ1 ше механизмы сверхпроводимости.

В случае ВТСП результаты экспериментов оказались очень чувствительны к слабым отклонениям химического состава и структуры. Следствием нлзкого качества образцов явились значительное уширение туннельных спектров и различные аномальные особенности, тагие как провал на кривой проводимости сразу-за щелевым максимумом, ниспадающий характер неведения проводимости за

щелью и другие. Для выяснесия истинного иехапизиа сверхпроводимости необходимы надежпо воспроизводимые вксперлыенталь-ные результаты, которые могут быть получены только па очень качественных образцах.

Пели и задачи исследования.

Целью настоящей работы является изучение эффекта одноча-стичного туннелирования в высококачественных монокристаллах BiiSriCaCxiiO%. Основными вопросами исследования являются:

- Создание симметричных туннельных контактов на иикротре-пише. Эта методика обеспечивает наивысшее качество поверхности обоих олектродов контакта.

- Получение воспроизводимых туннельных спектров.

- Определение величины внергетической шели Д и ее температурной аавпсвмости Д(Г).

- Извлечение плотности состояний N(E) из туннельных характеристик при конечном параметре размытия.

- Изучение тонкой структуры за щелью. Определение характерного масштаба анергий. Сравнение особенностей с фонон-ным спектром, полученным из вксперимеатов по рассеянию нейтронов. Восстановление функции Элиашберга а3Г(ш) и параметров электрон-фояошюго взаимодействия Л и р*.

Научная новизна работы.

1. Изготовлены симметричные туннельные контакты на микротрещине (типа "break-junction"), удовлетворяющие критериям отбора качественных туннельных переходов (ТП) и работающие a пшро-

ком диапазоне напряжений смешения (до 0.3 еВ) при температурах от 4.2 К до 100 К и в сверхсильных магнитных полях (до 20 Т).

2. На большом количестве образцов (33) получены воспроизводимые туннельные характеристики с четко выраженной щелевой особенностью, из которой определена величина энергетической щели Д = 22±2 мэВ для соединения Вг^Бг^СаСи^О). Измерена ее температурная зависимость Д(Т), которая имеет вид близкий к БКШ-зависимости с величиной отношения 2Д(0)/кпТс = 6.5 ± 0.6.

3. Предложен и реализован метод извлечения туннельной плотности состояний электронов №(Б) для туннельного перехода ¡5-8 типа с учетом конечного времен жизни квазичгстиц. Показало, что найденные функции М(Е) хорошо описываются формулой БКШ с введением одного дополнительного параметра Г, характеризующего размытие туннельных спехтрои.

4. Установлено, что параметр Г пе зависит от температуры и отсутствует корреляция между величиной Г и параметрами сверхпроводника Д, Те и АТе.

5. Обнаружено, что туннельные спектры з области энергий до 0.3 еВ содержат только щелевую п фоношгую структуры, причем последняя соответствует фононному спектру для ШчБгцСаСиъО», полученному из экспериментов по рассеянию нейтронов. Восстановлены функция Элиашберга кулоновский псевдопотепциал ¡х* = 0.03 — 0.1 и константа электрон-фонояной связи А = 2.3 — 4, которые дают значение Тс близкие к окспериментальяым.

Научная и практическая ценность.

Результаты, полученные в настоящей работе на большом количестве высококачественных образцов при разных температурах, в разных магнитных полях, свидетельствуют в пользу существенной роли влектрон-фононного взаимодействия в механизме сверхпроводимости в ВТСП.

Предлагаемый пакет программного обеспечения представляет из себя полный цикл обработки данных туннельных экспериментов, начиная с измерения туннельных спектров и кончая извлечением плотности состояний квазичастиц и восстановлением параметров ЭФВ.

Основные положения, в^трпг^ие на защиту,

Ца защиту выносятся основные результаты диссертации, сформулированные в конце автореферата.

Длробртчд 1Ц><УгН|

Основные результаты диссертационной работы докладывались

на:

- Общемосковском семинаре по теоретической физике под руководством академика РАН В.Л.Гинзбурга.

- Семинаре Отделения теоретической физики км.Е.И.Таима под руководством академика Л.В.Келдыша.

- Семинаре Отделения физики твердого тела Физического Института им.П.Н.Лебедева РАН под руководством член-корреспондента РАН профессора Ю.В.Копаева и член-корреспондента РАН профессора В.П.Сплина.

- Семинаре Отделения теоретической физики Физического Ин статута им.П.Н.Лебедева РАН под руководством член-корреспондента РАН профессора Л.А.Киржнида.

ПуЗлитешир,

По результатам диссертационной работы опубликованы 4 работы, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и 9&ьеч листер,тэдгоь

Диссертация состоит из введения, пята глав, заключения и пята приложений. Общий объем диссертации 122 стр., включая 31 рисунок. Список литературы содержит 70 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования. Кратко изложено содержание глав диссертации.

Первая глава является вводной и содержит основные результаты теории БКШ для сверхпроводников со слабой связью и ее обобщение на случай сильной связи. Кратко описывается туннельный аффект. Приводятся правила отбора качественных туннельных переходов. Дало описание физиче-ких характеристик и кристаллической структуры ВТСП. Сделан краткий обзор результатов, полученных в других лабораториях.

Во второй глазе приводятся физические, хпшгчеекко п кристаллографические параметры монокрист&ляическпх образцов.

Кристаллы размером 1x1x0.01 мм3 были получены в р&вновеснш условиях методом роста из раствора-расплава KCl. Химический состав соответствовал формуле B»a.45ri.&Cao.»Cuj.2Og+<. Кристал лы состояли из блоков размером 100-200 мкм с разориент алией 2* - 3е. Температура сверхпроводящего перехода, измеренная ре-зистивным методом и по ВЧ-восприимчивости, составляла Тс = 80 ± 3 К, а ширина перехода ДГС(10 - 90%) = 2 - б К. Удельное сопротивление образцов в плоскости а — Ь при 100 К равнялось />.((100) = 40 — 50 мкОм-см. Зависимость раь(Т) имела линейный ход при Г > Тс с наклоном dp/dT ~ 0.3 - 0.4 мкОмсм/К.

В работе использовался симметричный туннельный контакт S-S типа на микрстрещине, полученной в жидком гелии. Благодаря вжиганюо золотых плевок в местах контактов токовых и потенциальных проводов с кристаллом, их сопротивление удалось снизить до 0.1-1 Ома.

Далее в главе описывается криогенная часть установки и электрическая схема измерений вольт-амперных характеристик, их первой и второй производной. Последняя включает в себя оригинальную систему автоматического сбора данных ыа базе ЭВМ IBM PC. Лапы основные параметры схемы и результаты тестов.

Третья глава посвящена методам математической о^ работай данных. Описан разработанный пакет программного обеспечения, в котором впервые успешно реализован алгоритм извлечения плотности состояний N(E) для S-S контакта при конечном параметре

размытия. Необходимость его била продиктована сильным отличием туннельных спектров ВТСГ1 от НТСП. Алгоритм обработки включает в себя следующее:

1. Программное обеспечение системы автоматического сбора данных.

2. Вычисление ¿1 ¡¿У{у) из йУ/61{у) с учетом вольт-амперной характеристики /(V) для коррекции нелинейных искажений.

3. Приведение данных к шкале с заданным шагом напряжения н их сглаживание.

4. Выбор проводимости нормального состояния.

5. Определение величин Д Г.

6. Вычисление зависимостей Д(Т) и Г(Г).

7. Решение нелинейного интегрального уравпеаия для плотности состояний Ы{Е).

8. Восстановление спектральной фулюти электрок-фопошгого взаимодействия а*Р(ш), определение копстапты элсктроп-фо-понпой связи А и кулоновского псевдопотенциала ри* с помощью программы М&гсмиллана-Роуалла.

В четгертой гладе представлепы характеристики туннельных контактов, полученных на 33 образцах, и показана воспроизводимость результатов. Изготовленные контакты удовлетворяли критериям отбора качественных туннельных переходов. Только конечная проводимость при нулевом смещения, составляющая '-40% от

Рис.1 ВАХ и дифференциальная проводимость ТП Б-Б типа.

проводимости при больших напряжениях, и размытая щелевая особенность отличают данные туннельные спектры от наблюдавшихся ранее на ТП в НТСП (рис.1).Определена величина энергетической щели Д=22±2 мэВ при Т=4.2 К для соединения ВЬ8г2СаСи3Ов с Тс=80±3 К, что соответствует отношению 2Д/квТе=6.5±0.6.

Вычислена туннельная плотность состояний Ы(Е) из экспериментальных данных контакта Б-Э типа. Показано, что ЩЕ) хорошо описывается формулой БКШ введением одного дополнительного параметра Г, характеризующего размытие спектра:

№(Е) = Ле 1 . Е~*Г | (1.1)

Для нахождения экспериментальной туннельной плотности состояний ВБССО и сравнения ее с теоретической решалась задача обращения свертки:

При о той методом последовательных приближений подбиралась функция близкая к (1.1) и способная описать эксперименталь-

ные данные по формуле (1.2). Критерием подбора служил минимум суммы двух среднеквадратичных отклонений, взятых с весовыми коэффициентами, 1) ТУе{Е) от функции (1.1) и 2) ¿1/дУ{у)% вычисленной из (1.2) с Я{Е) = 7У«(£), от измеренной в эксперименте. На рис.2а представ 1ены полученные экспериментальные плотности состояний (точки) для ТП двух образцов, на которых были измерены минимальная и максимальная величина шелей. Здесь же для сравнения показаны две кривые (1) и (2), вычисленные по формуле (1) с параметрами Д = 19 маВ, Г = 5.8 мэВ для кривой (1) и Д = 23.8 мэВ, Г = 5.5 мэВ для кривой (2). На рис.2б приведены экспериментальные кривые нормированных дифференциальных проводимостей ($), /(И')п и кРивь,е проводимости, отвечающие найденным туннельным плотностям состояний рис.2а. Это сравнение показывает хорошее совпадение как основных щелевых особенностей, так и тонкой структуры наблюдаемой за щелью.

Найдено, что температурная зависимость гаели Д(Т) имеет вид, близкий к БКШ зависимости, а параметр размытия Г(Т) не зависит от температуры (рис.3).

(1.2)

о

VOLTAGE. mV

VOLTAGE, mV

Рис.2 (а) Туннельные нкотности состояний N(E) (точки) в сравнении с формулой (1,1) (сплошные кривые) и (б) их свертки (1.2) (сплошные кривые) вместо с экспериментальными проводимостями (точки).

й

1.2 1

Q 0.8

.. 0.6 —.

<N

£ 0.4

O 0.2

о 5-11

• 14-12

0 "~"J * I

1 i 1 • \ Л .?. .

• —..... i ........---}--- - - 1 \ BCS Y

• .....- Л. 1 » -Г — • j • i "o" " T

0.2 0.4 0.6 0.8 T/Tc .

Рис.3 Температурная зависимость Д(Т) для двух образцов (точки вверху) в сравнении с кривой БКШ (сплошная линия) и зависимость Г (Г) (точки внизу).

В пятой главе в первом параграфе проводится анализ тонкой структуры при eV>2A. На рис.4а изображены измеренные вторые производные ^ для ТП трех образцов в разных магнитных полях вместе с перевернутым фояонным спектром, взятым из экспериментов по рассеянию нейтронов. На рис. 46 приведены попарно левые и правьте части вторых производных, полученных численным дифференцированием иервых производных для тех ТП, на которых вторая производная пе измерялась.

хЮ"1 УоКоде - 2*0вНо, тУ

V - 2*аеКо, тУ

Рпс.4 (а) Вторые производные оРУ/сИ1, измеренные вксперимен-гальао. Точки изображают персг.ерпутую кривую фононяого спектра Р(а>). (б) <РУ/<И*, пояученныа численным дифференцированием первых производных <1У/Н1 (попарно левые и правые части).

л »

II

сч о х: О. о

V

1.4 1.2 1

0.8 0.6; 0.4 0.2

Рис.5 Функция Элиашберга а2Г(ш), усредненная по данный четырех образцов (сплошная кривая) и фопонный спектр полученный из экспериментов по рассеянию нейтронов.

1. Первое, что обращает на себя внимание в рис.4а,б, это симметрия кривых относительно нуля, показывающая воспроизводимость результатов для левой и правой части.

2. Во-вторых, масштаб, на котором четко видна тонкая структура, соответствует ширине фононного спектра Р{а>). Никакой дополнительной воспроизводимой структуры, превышающей уровень шумов, вне этого диапазона вплоть до 0.3 вВ обнаружено не было.

3. В-третьих, общая форма основной структуры (1*1/с1У2(У), как измеренной, так и полученной численным дифференцированием, хорошо коррелирует с особенностями фононного спектра

за исключением второго максимума при высоки энергиях. Соответствующий минимум на сР1/(ГУ2(У) имеет более широкую форму и сильно размыт на большинстве кривых, что в случае ЭФВ может говорить об ослаблении электроп-фоновной связи при высоких энергиях.

4. Обсуждаемая структура не связана с процессом неупругого тункелирования, так как в атом случае максимумы, а не минимумы, должны соответствовать максимумам Р(и>).

Во втором параграфе для наблюдаемой тонкой структуры на туннельной плотности состояний И(Е) с помощью программы МакМиллана-Роувлла восстановлены параметры ЭФВ. На рис.5 приведена функция Элиашберга а*Е(ы), усредненная по четырем образцам. Лля них получены константа влектрон-фононной связи Л — 2.3 — 4 и кулоновский псевдопотенциал ц' = 0.03 — 0.1, что дает температуру сверхпроводящего переходаТс = 74-85 К. Видно, что

ш) содержит все основпые черты функции .Г(а>), но отличается в деталях.

р заключении приведены основные выводы работы.

В приложении А дается описание и приводится блок-схема работы системы автоматического сбора данных.

В приложениях Б и В приводятся тексты программ:

Б. Программа вычисления дифференциальной проводимости <11/¿У по измеренному дифференциальному сопротивлению ¿У/<11 с учетом вольт-амперной характеристики.

В. Программа обращения свертки и нахождения туннельной плотности состояний М(Е) из экспериментальных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Изготовлены симметричные туннельные контакты на микротрещине (типа "break-junction"), работающие в широком диапазоне напряжений смещения (до 0.3 вВ) и имеющие стабильные характеристики при температурах от 4.2 К до 100 К и в сверхсильных магнитных нолях (до 20 Т). Показано, что данные туннельные контакты, порученные на свежем сколе высококачественных монокристаллов BiiSryCaCuiO» при гелиевой температуре, удовлетворяют критериям отбора качественных туннельных переходов.

2. На большом количестве образцов (33) получены воспро-иззодимые туннельные характеристики с четко выраженной щелевой особенностью. Определена величина энергетической щели Д = 22 ± 2 мвВ при Г = 4.2 К для соединения BijSrjCaCujO» с Тс = 80 ± 3 К.

3. Измерена температурим зависимость энергетической щели Д(Х), которая имеет вид близкий к БКШ-зависимости с величиной отношения 2Д(0)/кБТс = 6.5 ± 0.6.

4. Предложен и реализовал метод извлечения туннельной плотности состояний электронов N(E) для туннельного перехода S-S типа с учетом конечного времени жизни квазичастиц. Показало, что найденные функции N(E) хорошо описываются формулой ВКШ с

введением одного дополнительного параметра Г, характеризующего размытие туннельных спектров.

5. Устаноплено, что параметр Г не зависит от температуры и отсутствует коррел яция между величиной Г и параметрами сверхпроводника Д, Те и ДТе- Предположено, что размытие туннельных спектров вызвало спешней причиной и не является свойством самого сверхпроводника.

6. Измеренные туннельные спектры в области энергий 0-130 меВ содержат только шелевую и фононную структуры, причем последняя соответствует фононному спектру для В^Бг^СаСи^О^, полученному из экспериментов по рассеянию нейтронов. ИикахЫ* дополнительной структуры до 0.3 эВ обнаружено не было. Восстановлены функция Элиашберга а3Г(и), кулоновский псевдопотсзцп&л ц* = 0.03 — 0.1 и константа влектрон-фононной связи А = 2.3 - 4,

которые дают значение Тс близкие к экспериментальным.

•

Данные получены на большом количестве высококачественных образцов при разных температурах и в разных магнитных полях и свидетельствуют в пользу существенной роли влектрон-фононного взаимодействия в механизме сверхпроводимости в ВТСП.