Сверхпроводимость, БКШ, успехи, странности и непонятности

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#16   morozov » Ср июл 06, 2011 21:27

БКШ и бозе-эйнштейновская конденсация

Авторы препринта утверждают, что им удалось наконец-то решить задачу об объединении теорий БКШ и бозе-эйнштейновской конденсации локальных пар. Это достигнуто путем использования бозон-фермионной модели, которая в специальных случаях сводится ко всем континуальным статистическим теориям сверхпроводимости. Бозон-фермионная модель является ?полной? в том смысле, что она учитывает возможность существования в произвольной пропорции не только двух-электронных, но и двух-дырочных куперовских пар. Развитый подход использован для анализа вопроса о том, достаточно ли модельного взаимодействия БКШ для больших (0.01 ? 0.1 в единицах энергии Ферми) значений критической температуры так называемых ?экзотических? сверхпроводников, а также для обсуждения причин более высоких критических температур ?дырочных? сверхпроводников по сравнению с ?электронными?.

J.Batle et al., http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0211456,

to be published in Cond. Matt. Theories Vol. 17
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#17   morozov » Пт сен 23, 2011 23:56

Новое о поверхностной сверхпроводимости

40 лет тому назад D.Saint-James и P.G. de Gennes [1] показали, что в сверхпроводниках второго рода, в принципе, сверхпроводимость не исчезает в полях выше второго критического, а существует в тонком поверхностном слое вплоть до третьего критического поля Hc3=2.392kHc, где k - параметр Гинзбурга-Ландау, Hc - термодинамическое критическое поле. Необходимое условие для наблюдения данного явления - строгая параллельность приложенного поля поверхности сверхпроводника. Результат [1] прочно вошел в учебники и хорошо известен. Он проверялся еще в 60-х годах, после чего интерес к данной проблеме несколько угас. Было выяснено, что, на самом деле, приведенная выше формула, полученная в приближении Гинзбурга-Ландау, т.е. вблизи критической температуры, и в предположении резкой границы вакуум-сверхпроводник, требует уточнения. В рамках теории БКШ, а также при наличии тончайшего слоя на поверхности с подавленной или усиленной сверхпроводимостью коэффициент при kHc может меняться (и довольно радикально) [2,3]. Однако идейная сторона явления оставалась той же, что и в теории [1].

И вот сотрудники университета в Гамбурге J. Kotzler, S. Casalbuoni и L. von Sawilski [4.5] экспериментально обнаружили, что явление поверхностной сверхпроводимости далеко не такое простое, как предполагалось ранее. Они тщательно измерили (стандартным коммерческим СКВИД-магнитометром) магнитную восприимчивость цилиндров из ниобия в полях выше Hc2 и, естественно, обнаружили при температуре, ниже критической, поверхностную сверхпроводимость. Отношение Hc3/Hc2 зависело от способа обработки поверхности [4] и было во всех случаях выше значения 1.695, которое следует из теории [1]. Впрочем, как уже отмечалось выше, в этом нет ничего удивительного, если принять во внимание результаты более корректного анализа явления в работах [2,3].

Удивительное оказалось в другом. Из данных магнитных измерений была определена зависимость поверхностной проводимости и критического тока от внешнего поля. Оказалось, что приповерхностный критический ток отсутствует в полях выше Hсc3(T)=0.81Hc3(T) с коэффициентом 0.81, который не менялся с температурой. Более того, в зависимости от качества поверхности и наличия примесей отношение Hc3/Hc2 менялось от 1.86 до 2.57, а коэффициент 0.81 при этом оставался неизменным. Авторы [4,5] объясняют свои наблюдения тем, что ниже Hc3 вплоть до Hсc3 существует лишь локальная приповерхностная сверхпроводимость в виде отдельных участков, которые вносят свой вклад в магнитную восприимчивость, но не обеспечивают поверхностного критического тока. И лишь в полях ниже Hсc3 они сливаются в единый слой, т.е. возникает единое когерентное сверхпроводящее состояние. В работе [5] приводятся некоторые дополнительные данные, указывающие на наличие двумерного перколяционного перехода при H=Hсc3, однако откуда берется коэффициент 0.81 и почему он не зависит ни от температуры, ни от структуры поверхности, остается загадкой. Авторы [4,5], которые пока имели в своем распоряжении только ниобий, полагают, что данный эффект является универсальным и должен наблюдаться и в других сверхпроводниках. Проверить это - задача последующих экспериментов.

М.Белоголовкий

D. Saint-James, P.G. de Gennes, Phys. Lett. 1963, 7, p.306
C.-R. Hu, V. Korenman, Phys. Rev. 1969, 178, p.684
H.J. Fink, L.J. Barnes, Phys. Rev. Lett. 1965, 15, p.792
S. Casalbuoni, L. von Sawilski, J. Kotzler, http://xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0310565, 2003
J. Kotzler, L. von Sawilski, S. Casalbuoni, Phys. Rev. Lett., принято к печати.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#18   morozov » Вт ноя 01, 2011 13:27

Гидриды металлов как возможные кандидаты в высокотемпературные сверхпроводники

Последние несколько лет были отмечены серией открытий новых сверхпроводников, в состав которых входят легкие химические элементы. При этом критические температуры Tc оказываются хотя и не рекордными, но достаточно высокими для простых и бинарных соединений, например,Tc = 40К в MgB2 и Tc = 15К в литии (правда, при высоком давлении). Возможно, именно эти открытия (а также старые теоретические работы по сверхпроводимости металлического водорода) навеяли сотруднику Cornell Univ. (США) и Donostia Intern. Physics Center (San Sebastian, Испания) N.W.Ashcroft?у, автору известного во всем мире учебника, мысли о возможности высокотемпературной сверхпроводимости в гидридах металлов. Патриарх физики твердого тела отметил осень своей научной деятельности работой, в которой он детально проанализировал известную формулу Макмиллана для Tc сверхпроводников с фононным механизмом спаривания и сделал вывод, что в соединениях типа MH4 (M - металл IV группы) величина Tc может оказаться очень высокой [1]. Для перевода этих соединений в металлическое (и, как полагает N.W. Ashcroft, сверхпроводящее) состояние требуются давления, вполне достижимые на современном техническом уровне и, во всяком случае, гораздо более низкие, чем необходимо для металлизации водорода. Таким образом, намечен очередной, перспективный для сверхпроводимости класс материалов.

N.W.Ashcroft, Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 187002
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#19   morozov » Вс янв 08, 2012 17:52

Загадки пирохлоров

ПерсТ уже сообщал об обнаружении нового класса сверхпроводников со структурой пирохлора и общей формулой AOs2O6, где A=Cs (Tc=3.3K), Rb (Tc=6.3K) и K (Tc=9.6K) и даже предсказывал очередной всплеск интереса к оксидной сверхпроводимости. По прошествии года стало ясно, что речь идет скорее не о всплеске, а о медленном нарастании интереса к этим соединениям. В ноябрьском выпуске ежемесячной подборки наиболее интересных публикаций по физике твердого тела Journal Club for Condensed Matter Physics (http://jc-cond-mat.bell-labs.com/) W.Koshibae и S.Maekawa из Tohoku University обратили внимание читателей на данное открытие. Решетка пирохлора является классическим примером магнитной системы, в которой имеет место эффект фрустрации спинов. Его влияние на электронную структуру и, соответственно, транспортные свойства проводящих материалов остается невыясненным. В частности, W. Koshibae и S.Maekawa предполагают возможность радикальной перестройки ферми-поверхности. Этим, по их мнению, нужно заняться в первую очередь, а затем уже подойти к решению проблемы сверхпроводимости в данных материалах.

Удивительно, но соединения с одинаковой химической формулой резко отличаются по своим сверхпроводящим свойствам. Если RbOs2O6 - это, видимо, традиционный БКШ-сверхпроводник [1,2], то, как утверждается в работах [3,4], сверхпроводимость KOs2O6 имеет необычную природу. Еще одна странная аномалия в этом соединении была обнаружена недавно [5] при измерении теплоемкости. В этой работе, выполненной все в том же токийском университете, впервые были синтезированы небольшие однофазные кристаллические образцы KOs2O6. Температурные зависимости теплоемкости демонстрировали, помимо пика, соответствующего критической температуре (Tc=9.53K), еще более выразительный максимум при Tp~7.5K, меньшей критической. В магнитном поле 14Тл критическая температура сверхпроводящего перехода упала до 7.1К, в то время как Tp несколько подросла и стала даже выше Tc. Этот факт с очевидностью указывает на то, что вторая особенность непосредственно не связана с явлением сверхпроводимости. Тогда чем же она обусловлена? С каким-то структурным превращением? Однако, спускаясь по температуре от Tc до 5К, авторы [5] не обнаружили никаких изменений в кристаллической решетке. Остается предположить, по их мнению, только магнитный фазовый переход, который они думают обнаружить в ходе дополнительных ЯМР исследований. Кроме того, авторы [5] планируют вырастить монокристаллы KOs2O6 больших размеров. Словом, новые материалы задают нам новые загадки.

Еще один февральский препринт той же группы, посвящен влиянию высоких давлений (до 10ГПа) на сверхпроводимость в соединениях AOs2O6 [6] для A = Cs, Rb и K. Во всех трех материалах наблюдали одну и ту же тенденцию: критическая температура росла с давлением вплоть до достаточно широкого максимума при 6ГПа (при этом Tc=7.6K), при 2ГПа (Tc=8.2K) и при 0.6ГПа (Tc=10K) для A = Cs, Rb и K, соответственно, после чего падала вплоть до полного исчезновения при 7ГПа и 6ГПа для A = Rb и K и где-то выше 10ГПа для Cs. Любопытно, что такое поведение Tc коррелирует с изменением под давлением коэффициента при пропорциональном T2 вкладе в сопротивление образцов, а также их остаточного сопротивления, что согласно [6] указывает на важную роль электронных корреляций. Словом, новые материалы задают нам новые загадки.
М.Белоголовский

(Донецкий ФТИ НАНУ)

M.Bruhwilder et al. Phys.:Rev. B 2004, 70, 020503R
R.Khasanov et al. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 1570004
A.Koda et al., cond-mat/0402400
K.Arai et al., cond-mat/0411460
Z.Hiroi et al., cond-mat/0502043
T.Muramatsu et al., cond-mat/0502490
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#20   morozov » Пн янв 23, 2012 12:38

Необычная сверхпроводимость в PuCoGa5 – мостик от тяжелых фермионов к ВТСП?

В обычных сверхпроводниках с фононным механизмом спаривания как спин, так и угловой момент куперовской пары равны нулю. Поэтому макроскопическое квантовое состояние, в которое конденсируются куперовские пары, отделено энергетической щелью D от возбужденного состояния с неспаренными электронами. Вследствие этого физические величины, определяемые плотностью электронных состояний вблизи уровня Ферми, имеют термоактивированную температурную зависимость при T < Tc. Если же куперовские пары образуются из-за обмена антиферромагнитными спиновыми флуктуациями, то их момент импульса отличен от нуля, так что D = 0 в некоторых точках импульсного пространства. Это приводит к степенным температурным зависимостям при T < Tc. Нули D экспериментально обнаружены в двух классах сверхпроводников: слоистых медно-оксидных ВТСП и соединениях с тяжелыми фермионами на основе церия или урана. Это служит основой для предположения, что и в тех, и в других механизм сверхпроводимости является нефононным. Однако огромное (на два порядка) различие Tc порождает сомнения в справедливости такого предположения.
Изображение
Рис. 1 Спиновая восприимчивость PuCoGa5 из данных ЯМР на ядрах 59Co (кружки) и 71Ga (квадраты). Пунктирная и сплошная линии – теоретические зависимости для сверхпроводника с
d-спариванием без дефектов и с дефектами, соответственно. На вставке – кристаллическая структура PuCoGa5.




Сверхпроводник PuCoGa5 по величине Tc » 20К занимает промежуточное положение между тяжелофермионными сверх-проводниками с Tc ~ 1K и ВТСП с Tc ~ 100K. В этой связи большой интерес представляет совместная работа ученых Los Alamos National Laboratory (США) и Chonnam National Univ. (Корея) [1], в которой получены убедительные экспериментальные аргументы в пользу сверхпроводимости с d-спариванием PuCoGa5. Как спиновая восприимчивость cs (рис. 1), так и скорость спин-решеточной релаксации T1-1 (рис. 2a) при T < Tc ведут себя в точном соответствии с теорией для сверхпроводника с d-спариванием с дефектами (которых в PuCoGa5 очень много из-за процессов радиоактивного распада ядер плутония, например 239Pu ® 235U + a-частица). Более того, при T > Tc температурная зависимость T1-1 также качественно отличается от наблюдаемой в БКШ сверхпроводниках, зато совпадает (после соответствующего скейлинга) с T1-1 в ВТСП Y-123 и в тяжелофермионном сверхпроводнике CeCoIn5 (рис. 2b), а кроме того – с предсказаниями для скорости релаксации за счет антиферромагнитных спиновых флуктуаций.

ИзображениеИзображение
Рис. 2 (a) Скорость спин-решеточной релаксации T1-1 в PuCoGa5. Штриховая линия – теория для сверхпроводника с s-спариванием. Пунктирная и сплошная линии – теоретические зависимости для сверхпроводника с d-спариванием без дефектов и с дефектами, соответственно.

(b) Зависимость приведенной скорости спин-решеточной релаксации от приведенной температуры для разных сверхпроводников. Здесь (T1T)0-1 = (T1T)-1 при T/Tc = 1.25.
Изображение
Таким образом, PuCoGa5 играет роль своеобразного "мостика" (на шкале Tc) между сверхпроводниками с тяжелыми фермионами и ВТСП. Общим для всех этих классов материалов, помимо "необычного" сверхпроводящего состояния, являются очень сильные кулоновские корреляции между электронами атомных f-оболочек (в CeCoIn5 и PuCoGa5) или d-оболочек (в ВТСП), которые приводят, соответственно, к резкому увеличению эффективной массы электрона или к переходу в состояние моттовского диэлектрика. Сосуществование близких по энергии локализованного и делокализованного состояний благоприятствует магнитному механизму спаривания электронов. Но если удалось поставить "точку" на отрезке, соединяющем Tc тяжелофермионных и купратных сверхпроводников, то почему бы теперь не попытаться продолжить этот отрезок за пределы его ВТСП-границы? Хотя бы на полпорядка…

Л.Опенов
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#21   morozov » Вт фев 28, 2012 2:38

СВЕРХПРОВОДНИКИ
Сверхпроводящие карандаши

Графит широко используется во всем мире для производства карандашей. Графитовый стержень оставляет след, который, с одной стороны, может сохраняться на бумаге сколь угодно долго, а с другой – при необходимости может быть легко удален с помощью обычного ластика. Это обусловлено слоистой структурой графита, в которой соседние слои связаны друг с другом очень слабыми вандерваальсовскими связями (и потому легко отделяются от графита при слабом нажатии), тогда как в пределах каждого слоя атомы углерода соединены прочными ковалентными связями.

Ранее предпринимались неоднократные попытки перевести графит в сверхпроводящее состояние путем его легирования различными химическими элементами. Но максимум, чего удалось добиться – это сверхпроводимости при Tc < 1К в случае легирования калием и натрием [1,2]. Английские физики из университетов Лондона и Кембриджа обнаружили, что внедрение атомов иттербия или кальция между графитовыми слоями приводит к образованию сверхпроводящих соединений с Tc = 6.5 и 11.5К, соответственно [3]. Резистивный сверхпроводящий переход очень узкий (около 0.5К) и сопровождается эффектом Мейснера. Эти результаты были тотчас же воспроизведены сразу в нескольких лабораториях [4].
Изображение
Рис. 1 Кристаллическая структура C6M (M = Yb или Ca).

Роль атомов Yb и Ca заключается в том, что они поставляют свободные носители заряда в графитовые слои. Интересно, что авторы предыдущих работ по легированию графита пытались увеличить расстояние d между графитовыми слоями как можно больше и при этом не особенно преуспели в повышении Tc [1,2], тогда как в C6Ca величина d оказалась меньше, чем в C8K – в отличие от семейства сверхпроводящих фуллеренов A3C60 (A – щелочной металл), где Tc падает при уменьшении межкластерного расстояния. Длина когерентности при этом гораздо менее анизотропна, чем можно было бы ожидать от таких слоистых сверхпроводников (35нм в плоскости ab и 13нм вдоль оси с). Это говорит о достаточно сильном когерентном взаимодействии между графитовыми слоями. Механизм сверхпроводимости еще предстоит установить. Пока на роль спаривающих бозонов претендуют фононы и акустические плазмоны [3,5]. Новые экспериментальные данные о сверхпроводимости графита требуют переосмысления многочисленных противоречивых сообщений о сверхпроводимости связок многостенных углеродных нанотрубок. Надлежащее легирование нанотрубок позволит, возможно, добиться очень высоких Tc.

Л.Опенов
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#22   morozov » Пн мар 05, 2012 22:28

Симметрия сверхпроводящего состояния в NaxCoO2·yH2O

Слоистый сверхпроводник NaxCoO2×yH2O представляет собой интригующую альтернативу купратным ВТСП: он содержит гексагональные слои CoO2 – в отличие от квадратной решетки слоев CuO2. В литературе широко обсуждалась возможность “необычной” сверхпроводимости этого кобальтита натрия, а именно – триплетного спинового состояния двух электронов в куперовской паре. Поскольку в триплетном состоянии спиновая часть волновой функция симметрична, то координатная часть должна быть антисимметричной, то есть иметь, например, форму p- или f-симметрии. Однако многочисленные эксперименты дают для орбитальной симметрии куперовской пары крайне противоречивые и неоднозначные результаты. Специалисты из Naval Res. Lab. (США) тщательно проанализировали 25 различных орбитальных состояний, допустимых для гексагональной решетки, на предмет того, согласуются ли они с твердо установленными экспериментальными фактами: 1) “двумерностью” сверхпроводящего параметра порядка, 2) наличием нулей сверхпроводящей щели на поверхности Ферми, 3) отсутствием спонтанно индуцированных магнитных моментов ниже Tc [1]. Это позволило исключить из рассмотрения 23 типа спаривания. Оказалось, что оба оставшихся состояния имеют f-симметрию (см. рисунок). Хотя результаты такого дедуктивного анализа представляются довольно неожиданными, не стоит забывать главный принцип работы Шерлока Холмса: если отброшено все невозможное, то остается истина, какой бы невероятной она ни казалась. Таким образом, NaxCoO2×yH2O претендует на роль самого экзотического из известных сверхпроводников.

Изображение

Рис. Предполагаемый вид поверхности Ферми и возможный тип
f-волнового параметра порядка в NaxCoO2×yH2O: (a) y(y2-3x2);
(b) x(x2-3y2).

Л.Опенов

Nature Phys. 2005, 1, 91
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#23   morozov » Пт мар 23, 2012 20:33

Сверхпроводимость поликристаллического алмаза, легированного бором

Продолжают поступать сообщения о сверхпроводимости алмаза, легированного бором. На этот раз немецкие и украинские физики, Univ. Bayreuth (Германия) и ФТИНТ (Украина), исследовали, а объемные поликристаллические образцы, имевшие форму цилиндров длиной 3мм и диаметром 1.8мм [1], а не монокристаллы или тонкие пленки, как это было в предыдущих работах. Образцы были синтезированы при взаимодействии карбида бора с графитом при T = 2700К и P = 20ГПа. Авторы надеялись, что более высокое давление (по сравнению с P = (8 ¸ 9)ГПа, использовавшегося в пионерской работе [2]) позволит увеличить концентрацию бора в образце и тем самым повысить критическую температуру Tс.

Изображение
Рис.1. Резистивные переходы поликристаллического алмаз:бора в различных магнитных полях

Изображение
Рис.2. Экспериментальные данные по сверхпроводимости алмаз:бора (из работы [1]).

Этого, однако, не случилось. И содержание бора (2.5 ат. %), и Tc (начало перехода при 2.4К; R = 0 при 1.4К) оказались ниже, чем в [2]. Наблюдалось резкое уменьшение ширины резистивного перехода в магнитном поле (рис.1), что авторы объясняют возникновением сверхпроводящих волокон.

Имеющиеся на сегодняшний день данные по сверхпроводимости алмаз:бора собраны воедино на рис.2. Видно, что однозначная корреляция между Tc и концентрацией бора в образце отсутствует. Отметим, впрочем, что пока эксперимент грешит плохой воспроизводимостью.

Л.Опенов

N.Dubrovinskaia et al., J. Appl. Phys. 2006, 99, 033903

E.A.Ekimov et al., Nature 2004, 428, 542
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#24   morozov » Вс июл 15, 2012 13:16

Суперкремний

Кремний – полупроводник. В отличие от металлов, при низкой температуре он практически не проводит электрический ток из-за малого количества свободных электронов и дырок. Для того чтобы в кремнии появились свободные носители заряда, нужно заменить часть атомов Si на атомы, у которых число валентных электронов либо больше, чем у Si (такие как фосфор), либо меньше (такие как бор). Эта процедура, называемая легированием, позволяет контролировать концентрацию свободных электронов или дырок в той или иной области образца и, в конечном итоге, определяет все многообразие применений кремния в микроэлектронике.

Если число примесных атомов (например, донорного фосфора) невелико, то “лишние” электроны остаются локализованными вблизи “своих” ядер. К слову, спиновые состояния ядер фосфора в кремнии или орбитальные состояния электронов в однократно ионизированной паре доноров P2+:Si предложили использовать в качестве базисных состояний спиновых и зарядовых кубитов, соответственно [1, 2]). С ростом концентрации доноров электронные волновые функции перекрываются все сильнее и в итоге формируют орбитали, делокализованные по всему образцу. Поэтому проводимость, как и в металле, становится отличной от нуля даже при T ® 0, несмотря на беспорядок, создаваемый хаотически расположенными примесными атомами [3]. То же самое происходит и при достаточно большой концентрации акцепторных примесей бора [4]. В последнее десятилетие именно кремний исследователи использовали для проверки идей и концепций, касающихся различий диэлектрического и металлического состояний, вообще, и проводимости легированных полупроводников, в частности [5].

Разумно предположить, что при достаточной концентрации носителей заряда кремний, подобно алмазу [6], может перейти в сверхпроводящее состояние. На это указывают и теоретические расчеты [7]. Но до сих пор сверхпроводимость кремния наблюдали лишь при огромных давлениях ~ 10ГПа [8], когда он переходит в другую кристаллическую модификацию. По иронии судьбы, неудачи при попытке заставить «сверхпроводить» обычную гранецентрированную кубическую фазу кремния при нормальном давлении обусловлены теми же факторами, которые делают кремний отличным полупроводниковым материалом. Кремний сравнительно легко поддается очистке от примесей, но выталкивает из своей решетки примесные атомы, если их концентрация n превышает “предел растворимости”, который для примесей бора, например, в нормальных условиях составляет всего лишь 1.2ат.% (n = 6×1020 см-3).

В совместной работе [9] большой группы исследователей из Франции и Словакии для легирования кремния бором использовали разработанную сравнительно недавно методику “лазерного легирования”. Тонкую пленку Si(001) с адсорбированным на ней слоем BCl3 облучали импульсным УФ лазером, в результате чего поверхностный слой плавился, а атомы бора диффундировали в пленку и при остывании замещали в ней атомы Si (см. рис. 1).
Изображение
Рис.1. Иллюстрация “лазерного легирования” кремния бором.

Цикл плавление/затвердевание повторяли около 200 раз. В итоге толщина легированного Si:B слоя достигала (10¸120)нм. Детальное исследование структуры этих слоев показало, что атомы бора расположены именно в узлах решетки (а не в междоузлиях), хотя и распределены достаточно неоднородно. Оценка концентрации бора по изменению межатомных расстояний дала n = (3¸4)×1021см-3, что согласуется с концентрацией дырок nh = (5±2)×1021см-3, определенной по эффекту Холла при комнатной температуре. Таким образом, величину n (и, соответственно, nh) удалось повысить почти на порядок по сравнению с образцами, легированными обычными способами.
Изображение
Рис. 2. Резистивный (справа) и индуктивный (слева) сверхпроводящие переходы пленки Si:B.

Вот в таких пленках Si:B авторы [9] и обнаружили сверхпроводимость при Tc = 0.34К (см. рис. 2). Большая ширина и ступенчатый вид как резистивного, так и индуктивного переходов – следствие неоднородного распределения акцепторов по пленке. В магнитном поле, перпендикулярном поверхности, Tc уменьшается. Кривая Hc2(T) лежит выше теоретической кривой БКШ. Hc2(0) » 0.4Тл. Оценка длины когерентности по наклону Hc2(T) вблизи Tc и по величинам Tc и Hc2(0) дает, соответственно, 13нм и 20нм. Константа электрон-фононного взаимодействия, рассчитанная из первых принципов, составляет l = 0.28. При этом основной вклад в l (как и в сверхпроводящем алмаз/боре) дают оптические моды. Была рассчитана также функция электрон-фононного взаимодействия (функция Элиашберга). Теоретическая величина Tc, определенная по формуле Макмиллана, составила (0.03¸0.5)К (большой разброс Tc связан с сильной неопределенностью кулоновского псевдопотенциала m*).

Авторы [9] отмечают, что их открытие может быть использовано для изготовления новых сверхпроводниковых наноструктур и мезоскопических устройств на основе кремния. Действительно, представляется заманчивым применить хорошо развитую “кремниевую технологию” к сверхпроводникам. Все бы тут ничего, да вот только Tc слишком низкая… Может быть, ее удастся повысить за счет легирования кремния не акцепторными, а донорными атомами (например, фосфором или мышьяком)? Так или иначе, а результаты работы [9] по трансформации “самого полупроводникового из всех полупроводников” в сверхпроводник весьма впечатляют. Что дальше? “Я убежден, – говорит R.J.Cava, – что в одно прекрасное утро нас разбудит известие об открытии нового сверхпроводника с рекордной Tc. Но если окажется, что этот сверхпроводник представляет собой легированный бетон, то я пойму, что пора уходить в отставку…” [10].

Л.Опенов

Nature 393, 133 (1998)
ЖЭТФ 128, 54 (2005)
Phys. Rev. Lett. 45, 1723 (1980)
Phys. Rev. Lett. 66, 1914 (1991)
Rev. Mod. Phys. 57, 287 (1985)
Nature 428, 542 (2004)
Phys. Rev. Lett. 91, 247001 (2003)
Phys. Lett. 17, 187 (1965)
Nature 444, 465 (2006)
Nature 444, 27 (2006)
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

ГАЗ СВЕРХПРОВОДНИК

Номер сообщения:#25   morozov » Чт авг 16, 2012 1:47

Сверхпроводимость силана SiH4

Теория предсказывает, что при давлении P » 400 ГПа газообразный водород переходит в твердое металлическое состояние и даже становится высокотемпературным сверхпроводником (благодаря большой дебаевской частоте и сильному электрон-фононному взаимодействию). Но такие высокие давления пока находятся за пределами возможностей эксперимента. В качестве альтернативного способа металлизации водорода было предложено [1] сжимать молекулярные вещества с большим содержанием последнего, такие как, например, SiH4 (силан), CH4, GeH4, SnH4 и т.п. В этих веществах электронная плотность на атомах водорода исходно очень высока вследствие так называемого “химического сжатия”, и поэтому ожидается, что они могут стать металлами уже при
P » 100 ГПа.

В работе [2] (с участием нескольких российских авторов) обнаружено, что силан переходит в металлическое состояние при P » 50 ГПа. Более того, при охлаждении наблюдается сверхпроводящий переход, температура которого с ростом давления увеличивается от 7 К до 17.5 К, затем уменьшается и вновь начинает расти (рис.1).

Изображение
Рис.1. Зависимость критической температуры Tc силана SiH4 от давления. Темные и светлые кружки – результаты, полученные при увеличении и уменьшении давления, соответственно.

Изображение
Рис.2. Структура твердого силана SiH4 в металлическом состоянии. Большие кружки – атомы Si, маленькие кружки – атомы H.

Анализ спектров рентгеновской дифракции показал, что металлическая фаза имеет гексагональную плотноупакованную структуру с двумя формульными единицами в элементарной ячейке и с высокой концентрацией атомов водорода, образующих трехмерную проводящую сетку (рис.2). При P = 113 ГПа периоды решетки равны a = b = 0.267 нм, c = 0.449 нм. Расстояние между атомами водорода составляет 0.154 нм в плоскости a-b и 0.118 нм вдоль оси c. Как считают авторы [2], резкий рост Tc в окрестности P » 100 ГПа может быть связан с изменением поверхности Ферми, что влияет на электрон-фононное взаимодействие. Вид кривой Tc(P) при 90 ГПа < P < 120 ГПа наводит на мысль, что в силане можно достичь гораздо более высоких величин Tc. Однако неконтролируемое изменение давления в процессе нагрузки не позволило авторам [2] детально исследовать этот диапазон P. Между тем теоретики предсказывают, что Tc в SiH4 может достигать 80 К [3].

Л.Опенов

1. N.W.Ashcroft, Phys.Rev.Lett. 92, 187002 (2004).

2. M.I.Eremets et al., Science 319, 1506 (2008).

3. JX.J.Chen et al., arXiv:0803.2713v1.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#26   morozov » Пн авг 20, 2012 16:06

Сверхпроводимость легированных полупроводников

Польские физики сообщили о наблюдении сверхпроводимости в полупроводниках GaP и GaAs, сильно легированных хромом. Величина Tc составила 6.2 К (рисунок) как для поликристаллических образцов, так и для монокристаллов, выращенных методом Чохральского. Hc » 600 Э. Причина кроется, по-видимому, в выделении фазы b-Ga при охлаждении образцов после синтеза. Но требуются дополнительные исследования.

Изображение
Температурные зависимости действительной (внизу)
и мнимой (вверху) частей динамической
магнитной восприимчивости GaP и GaAs.

Л.Опенов

1. J.B.Gosk et al., Supercond. Sci. Technol. 21, 065019 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#27   morozov » Вт авг 28, 2012 1:19

Сверхпроводимость тяжелых дырок в b-YbAlB4

Во многих соединениях церия, в которых носителями заряда являются так называемые тяжелые фермионы, при очень низких температурах наблюдается сверхпроводимость. Преобладает точка зрения, что механизм спаривания не фононный, а магнитный, но остается совершенно непонятно, почему сверхпроводимость отсутствует в дырочных аналогах этих соединений на основе иттербия. За двадцать лет непрерывных поисков не был найден ни один тяжелофермионный иттербиевый сверхпроводник. И вот, наконец, японско-английско-американскому коллективу удалось изготовить соединение b-YbAlB4, которое при охлаждении до Tc = 80 мК переходит в сверхпроводящее состояние [1].

Изображение
Рис.1. (a) Магнитная восприимчивость монокристалла b-YbAlB4 в поле, параллельном и перпендикулярном оси c (на вставке – фрагмент кристаллической решетки). (b) Температурная зависимость удельного электросопротивления rab в плоскости a-b при H = 0 (кружки) и вклад в него от 4f-электронов (сплошная линия), найденный путем вычитания из экспериментальных данных величины rab(T) в a-YbAlB4 – немагнитном (и несверхпроводящем) изоструктурном аналоге b-YbAlB4. На вставках – зависимости rab от T и T1.5 при низких температурах.

Изображение
Рис.2. Температурные зависимости rab в магнитном поле, параллельном оси c.

Его кристаллическая структура не такая, как у давно известной фазы a-YbAlB4, а магнитная восприимчивость c сильно анизотропна (рис. 1а). В отличие от большинства тяжелофермионных соединений, сопротивление b-YbAlB4 при H = 0 не квадратично по T, а линейно при T = (1 ¸ 4) К и ведет себя как rab ~ T1.5 при Tc < T < 1 К (рис. 1b). Это говорит о том, что в нормальном состоянии b-YbAlB4 электронная подсистема не является ферми-жидкостью. Температурные зависимости c и магнитной составляющей удельной теплоемкости CM при H = 0 и T ~ 1 К тоже отличны от фермижидкостных. Однако увеличение H до 0.1 Тл приводит к “восстановлению” как зависимости rab ~ T2 (рис.2), так и фермижидкостного поведения c(T) и CM(T).

Анализ экспериментальных данных свидетельствует о расходимости c(T), CM(T) и величины A = (rab(T)-rab(0))/T2 при H = 0 и T ® 0, что говорит о существовании при H = 0 квантовой критической точки (quantum critical point, QCP). Таким образом, b-YbAlB4 являет собой редкий пример систем, в которых для достижения QCP не требуется изменять какие-либо внешние “контрольные параметры”, как то: давление, уровень допирования и пр. Интересно, что экспериментальные величины критических показателей, определяющих конкретный вид расходимостей c(T), CM(T) и A(T) при T ® 0, не согласуются ни с одной из известных теорий. Что же касается механизма сверхпроводимости b-YbAlB4, здесь требуются дальнейшие исследования.

Л.Опенов


1. S.Nakatsuji et al., Nature Phys. 4, 603 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#28   morozov » Ср сен 05, 2012 2:46

Сверхпроводимость диэлектрика в электрическом поле

В современной полупроводниковой промышленности широко используется методика управления концентрацией носителей тока в структуре металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) с помощью электрического поля. Преимущество этого способа перед обычным “химическим легированием” связано с отсутствием атомного беспорядка, обусловленного хаотическим расположением примесных атомов. Известны также эксперименты по индуцированию сверхпроводимости полем в металле. А вот перевести таким образом диэлектрик в сверхпроводящее состояние пока ни у кого не получалось. В работе [1] японской группы из Tohoku University была предпринята попытка индуцировать сверхпроводимость в SrTiO3. Из этого материала часто изготавливают подложки для пленок купратных ВТСП, сам он типичный диэлектрик, хотя и становится сверхпроводником при химическом легировании. Попытка удалась. Увеличение поверхностной концентрации носителей в двухслойной МДП-структуре на основе SrTiO3 (рис. 1) от нуля до 1014 см-2 при V = 3.5 В привело к возникновению сверхпроводимости с Tc = 0.4 К (рис. 2).

ИзображениеИзображение

Рис.1. Схематическое изображение МДП-структуры со слоем SrTiO3. Рис.2. Резистивный сверхпроводящий переход в SrTiO3 при напряжении смещения
V = 3 В. На вставках: зависимость сопротивления от магнитного поля (вверху) и ВАХ (внизу) при T = 0.02 К.

Заметим, что такую же величину Tc имеют объемные монокристаллы SrTiO3 с оптимальной концентрацией легирующих примесей [2]. Увеличение магнитного поля до критического значения приводило, как и положено, к исчезновению сверхпроводимости. Ширина резистивного перехода составила около 0.5 К. Теперь интересно таким же образом поэкспериментировать и с другими диэлектриками, а также – с сильно недодопированными диэлектрическими составами купратных ВТСП и несверхпроводящими оксипниктидами.

Л.Опенов

1. K.Ueno et al., Nature Mater. 7, 855 (2008).

2. J.F.Schooley et al., Phys. Rev. Lett. 14, 305 (1965).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#29   morozov » Ср сен 05, 2012 16:58

Сверхпроводимость, “выжатая” из диэлектрика

Слоистый моттовский диэлектрик TaS2 (единственный халькогенид переходных металлов, в котором имеется моттовская фаза) интенсивно изучался в 70-х годах прошлого века. И тогда казалось, что его основные физические свойства полностью ясны. В этом соединении слои Ta разделены слоями S (см. рис.), а отсутствие у него металлической проводимости (несмотря на нечетное число валентных электронов) связано, как принято считать, с волной зарядовой плотности (ВЗП).
Изображение
Фрагмент кристаллической структуры TaS2

Однако недавно в работе [1] из этого диэлектрика удалось в буквальном смысле “выжать” сверхпроводимость при Tc » 5 К, приложив к нему высокое давление. Причина перехода диэлектрика в металл заключается, по-видимому, в изменении структуры, что приводит, в свою очередь, к изменению типа ВЗП и появлению свободных носителей заряда (именно допирование свободными носителями ведет к сверхпроводимости купратных ВТСП). Насколько далеко можно провести аналогию TaS2 с купратами, должны показать экспериментальные исследования симметрии сверхпроводящего состояния и других сверхпроводящих характеристик этого материала.

Л.Опенов

1. B.Sipos et al., Nature Mater. 7, 960 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 32788
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Любителям сверхпроводимости ДЖ. БАРДИН, ДЖ. ШРИФФЕР + Ра

Номер сообщения:#30   morozov » Чт сен 06, 2012 17:23

Сверхпроводимость границы раздела LaAlO3 / SrTiO3

Перераспределение электрического заряда вблизи границы раздела двух типичных диэлектриков LaAlO3 и SrTiO3 приводит к формированию на этой границе проводящего двумерного электронного газа [1]. При понижении температуры наблюдается его переход либо в магнитное [2], либо в сверхпроводящее [3] основное состояние. Для исследования фазовой диаграммы атомарно четкой границы раздела LaAlO3/SrTiO3 швейцарские (университеты Женевы и Цюриха), французские (университет Парижа) и немецкие (университет Аугсбурга) физики изменяли концентрацию электронов на этой поверхности, помещая образец в постоянное электрическое поле, а проще говоря – прикладывая к нему напряжение V [4]. При этом, в зависимости от знака V, концентрация носителей n увеличивалась или уменьшалась по отношению к своей исходной величине (n = 4.5×1013 см-2 при T = 100 К), определенной по эффекту Холла. Преимущество такого “электрического допирования” заключается в отсутствии на поверхности раздела хаотически расположенных примесей и дефектов, всегда появляющихся при “химическом допировании” из-за локального изменения элементного состава и осложняющих интерпретацию экспериментальных данных.
Изображение
Фазовая диаграмма границы раздела LaAlO3 / SrTiO3 (V – электрическое напряжение, определяющее концентрацию свободных носителей). Синие точки – температура сверхпроводящего перехода (в двумерной системе – температура перехода Березинского-Костерлица-Таулеса) TBKT (правая шкала). Сплошная линия – скейлинговая зависимость TBKT ~ (V-Vc)zn, где zn = 2/3. QCP – квантовая критическая точка (quantum critical point) при V=Vc. Красные точки – сопротивление слоя при T = 0.4 К (левая шкала).

Полученные в [4] результаты проиллюстрированы на рисунке. Обращает на себя внимание наличие на фазовой диаграмме квантовой критической точки, разделяющей области диэлектрического и двумерного сверхпроводящего состояния при T = 0. Никаких признаков магнетизма границы раздела в [4] обнаружено не было. Помимо фундаментального интереса, возможность локального электростатического контроля сверхпроводимости открывает путь к созданию новых сверхпроводниковых наноустройств (включающих, например, сетку сформированных электрическим полем джозефсоновских контактов).

Л.Опенов

1. A.Ohtomo, H.Y.Hwang, Nature 427, 423 (2004).

2. A.Brinkman et al., Nature Mater. 6, 493 (2007).

3. N.Reyren et al., Science 317, 1196 (2007).

4. A.D.Caviglia et al., Nature 456, 624 (2008).
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»