Конкуренция синглетных упорядоченных состояний в купратных сверхпроводниках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Нгуен Нгок Туан

• Нгуен Нгок Туан
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Нгуен Нгок Туан

Введение

1 Проблемы физики высокотемпературной сверхпроводимости

1.1 Введение

1.2 Фазовая диаграмма.

1.3 Псевдощель и сверхпроводимость

1.4 Эволюция контура Ферми с допированием.

1.5 Упорядоченные состояния в сильно коррелированной системе.

1.6 Сосуществование конкурирующих упорядоченных состояний

1.7 Симметрия параметра порядка.

1.8 Изотопический эффект

1.9 Каноническое преобразование в теории среднего поля

1.10 Постановка задачи

2 Конкуренция механизмов сверхпроводящего спаривания

2.1 Модель Толмачева.

2.2 Спаривание с большим импульсом

2.3 Выбор спаривающих потенциалов

2.4 Система уравнений самосогласования

2.5 Кроссовер от электрон-фононного к кулоновскому спариванию

2.6 Изотопический эффект

2.7 Суперпозиция параметров сверхпроводящего порядка

3 Сосуществование конкурирующих упорядоченных состояний в слабо допированных купратах

3.1 Зеркальный нестинг контура Ферми и сверхпроводимость при отталкивании

3.2 Параметры порядка и гамильтониан среднего поля.

3.3 Унитарное преобразование

3.4 Система уравнений самосогласования.

3.5 Дважды упорядоченное сверхпроводящее состояние

3.6 Наведенный сверхпроводимостью орбитальный ток.

3.7 Спектр квазичастиц

3.8 Экспериментальное проявление дважды упорядоченного сверхпроводящего состояния

4 Несоизмеримые упорядоченные состояния

4.1 Сосуществование зеркального и обычного нестинга контура Ферми

4.2 Особенности несоизмеримости.

4.3 Гамильтониан среднего поля

4.4 Спектр квазичастиц

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конкуренция синглетных упорядоченных состояний в купратных сверхпроводниках»

Актуальность темы. Проблема высокотемпературной сверхпроводимости стала особенно актуальной после открытия в 1986 году сверхпроводимости купратных соединений. К настоящему времени, несмотря на беспрецедентные усилия научного сообщества, общепринятая точка зрения на сверхпроводимость купратов и их необычные свойства в нормальном состоянии отсутствует.

Одной из важнейших задач физики купратов является выяснение механизма сверхпроводящего спаривания. Традиционная схема БКШ с электрон-фононным взаимодействием в основе спаривающего потенциала не в состоянии описывать ряд необычных свойств купратов, включая необычную симметрию параметра порядка, аномальный изотопический эффект на температуре переходе и на лодоновской глубине проникновения'и многие другие.

Общепринятым можно считать отнесение купратов к классу сильно коррелированных квазидвумерных электронных систем. В связи с этим экранированное кулоновское отталкивание играет особую роль и, наряду с другими взаимодействиями между электронами (например, через обмен фононами или антиферромагнитными магнонами), определяет эффективность сверхпроводящего спаривания. В частности, экранированное кулоновское отталкивание может оказаться доминирующим каналом спаривания. Несмотря на то, что сверхпроводимость при отталкивании известна давно, роль оттал-кивательного взаимодействия в сверхпроводимости купратов исследована недостаточно, а выводы, вытекающие из приближенных или численных решений в рамках модели Хаббарда и родственных ей моделей (например, t-J модели), являются спорными и противоречивыми. Особенности электронного строения купратов, в частности, сильная анизотропия зоны проводимости и достаточно ярко выраженный нестинг поверхности Ферми, едва ли могут быть адекватным образом вписаны в рамки таких моделей, поэтому зонная схема представляется той альтернативой, которая соответствует приближенному подходу к описанию реальных купратов со стороны слабых корреляций.

Другой, не менее интересной и уникальной по сравнению со сверхпроводимостью, является проблема псевдощели, проявляющейся в нормальном состоянии слабо допи-рованных соединений с дырочным типом проводимости. Считается, что решение этой проблемы может стать ключом к пониманию микроскопического механизма сверхпроводимости купратов. В данный момент времени существуют, как минимум, две противоречащие друг другу точки зрения на природу псевдощели. Считается, что формированию псевдощели соответствует существование выше температуры сверхпроводящего перехода неконденсированных, но уже сформированных куперовских пар. В то же время, предполагается, что псевдощель является самостоятельным упорядоченным состоянием, конкурирующим или сосуществующим со сверхпроводимостью, в частности, диэлектрическое состояние псевдощели рассматривается как волна плотности заряда или волна плотности зарядовых орбитальных токов.

Концепция сверхпроводящего спаривания с большим суммарным импульсом пары I при экранированном кулоновском отталкивании отражает основные черты поведения купратов в сверхпроводящем и нормальном состояниях. Наличие достаточно малой, но конечной области кинематического ограничения при импульсе пары порядка удвоенного фермиевского импульса с необходимостью приводит к тому, что ядро оператора спаривающего отталкивательного взаимодействия имеет отрицательное собственное значение, что является одним из условий возникновения связанного состояния относительного движения пары. Симметрия сверхпроводящего параметра порядка, имеющего линию нулей в области кинематического ограничения, естественным образом оказывается связанной с кристаллической симметрией купратной плоскости. Кроме того, спаривающее кулоновское отталкивание при конкуренции с другими механизмами приводит к весьма своеобразному поведению изотопического эффекта, показатель которого изменяется в достаточно широком интервале значений, от отрицательных до стандартного для фононного механизма сверхпроводимости значения 0.5, иногда даже превышая это значение. Аномальное поведение многих термодинамических величин связано с малой плотностью сверхтекучего конденсата, что является естественным следствием сверхпроводящего спаривания с большим импульсом пар.

Диссертация посвящена исследованию конкуренции и сосуществования канала сверхпроводящего спаривания с большим импульсом пар с другими каналами спаривания (куперовским и диэлектрическим) при конкуренции электронного и электрон-фононного механизмов спаривания.

Цель работы. Развитие концепции сверхпроводящего спаривания с большим импульсом пары при отталкивании в квазидвумерной электронной системе, включающее исследование 1) синглетного сверхпроводящего спаривания с большим суммарным импульсом пары при спаривающем взаимодействии, включающем экранированное кулоновское отталкивание и притяжение из-за обмена фононами; 2) изотопического эффекта на температуре сверхпроводящего перехода и лондоновской глубине проникновения;

3) конкуренции и сосуществования соизмеримых и несоизмеримых диэлектрических 1 и сверхпроводящих упорядоченных состояний в квазидвумерной электронной системе при доминирующем спаривающем отталкивании. Анализ экспериментальных данных для купратных сверхпроводников в рамках концепции сверхпроводящего спаривания с большим импульсом при экранированном кулоновском отталкивании.

Научная новизна. Все результаты, представленные в диссертации, являются новыми. Впервые показано, что при спаривающем отталкивании, включающем притяжение, обусловленное фононами, возникает дважды упорядоченное состояние сосуществующих сверхпроводящих конденсатов пар с большим и нулевым импульсами. Показано, что температура сверхпроводящего перехода связана с конденсацией пар с большим импульсом, тогда как конденсация пар с нулевым импульсом происходит при более низкой температуре, определяющей кроссовер между состояниями с существенно различающимися значениями сверхтекучей плотности. Выполнен анализ симметрии параметра порядка дважды упорядоченного сверхпроводящего состояния; показано, что при спаривающем отталкивании помимо нулей параметра порядка, связанных с симметрией по отношению к поворотам в импульсном пространстве, возникают дополнительные нули, обусловленные внутренней симметрией спаривающего взаимодействия. Рассчитан двухщелевой спектр квазичастиц дважды упорядоченного сверхпроводящего состояния. Исследованы конкуренция и сосуществование дважды упорядоченного сверхпроводящего состояния и близкого по энергии существующего или наведенного сверхпроводимостью диэлектрического состояния в виде волн плотности заряда или тока заряда. В рамках концепции сверхпроводящего спаривания с большим импульсом впервые произведен анализ изотопического эффекта на температуре сверхпроводящего перехода и лондоновской глубине проникновения. Показано, что эта концепция находится в качественном согласии с наблюдаемыми особенностями изотопических эффектов в купратах.

Научная* и практическая ценность. Научная ценность результатов, представленных в диссертации, определяется тем, что эти результаты являются вкладом в теорию сверхпроводимости, который позволяет с единой точки зрения непротиворечиво интерпретировать фундаментальные свойства высокотемпературных купратных сверхпроводников: Практическая ценность работы связана с развитым в ней эффективным методом унитарного преобразования, позволяющим получать решения системы уравнений самосогласования, описывающей сосуществующие сверхпроводящие и диэлектрические состояния и дающей возможность совместно рассматривать различные микроскопические механизмы спаривания.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Сверхпроводящее спаривание с большим импульсом пары при кулоновском отталкивании приводит к дважды упорядоченному состоянию с необычной симметрией параметра порядка и двухщелевым спектром квазичастиц с пересекающимися ветвями и перераспределением спектрального веса в окрестностях точек пересечения.

2. Температура сверхпроводящего перехода определяется конденсацией пар с большим импульсом, тогда как конденсации пар с нулевым импульсом при более низкой температуре соответствует кроссовер между состояниями с различной сверхтекучей плотностью.

3. Перенормировка экранированного кулоновского отталкивания электрон-фононным взаимодействием является причиной аномального изотопического эффекта на тем- ' пературе перехода и глубине проникновения магнитного поля в дважды упорядочен, ном сверхпроводящем состоянии.

Личный вклад автора в диссертационную работу. Все научные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Постановка задач исследования выполнена совместно с научным руководителем профессором В.И. Белявским. В обсуждении полученных результатов принимали участие член-корреспондент РАН Ю.В. Копаев и кандидат физико-математических наук Ю.Н. Тогушова.

Апробация работы. Результаты работы доложены на VIII международной конференции "Механизмы и материалы высокотемпературной сверхпроводимости" (Дрезден, 9-14 июля 2006 года), Второй Международной конференции "Фундаментальные проблемы сверхпроводимости" (Москва-Звенигород, 7-10 октября 2006 года), тринадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученных (Таганрог, 20-26 апреля 2007 года), ХХПУ международной конференции по статистической физике (Генуя, Италия, 9-13 июля 2007 года), и научных семинарах отделения физики твердого тела Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов, изложенных на 110 страницах машинописного текста, включая 14 рисунков и список литературы из 191 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Нгуен Нгок Туан

Основные результаты исследований, полученные в диссертации, могут быть сформулированы:

1. Показано, что в квазидвумерной электронной системе с зеркальным нестингом контура Ферми при доминирующем кулоновском спаривающем отталкивании и наведенном электрон-фононным взаимодействии притяжении синглетное дважды упорядоченное сверхпроводящее состояние возникает в результате конкуренции между сверхпроводящим спариванием с большим (соизмеримым или несоизмеримым в зависимости от допирования) и нулевым импульсами конденсата, а также синглетным диэлектрическим спариванием в виде волны плотности заряда или плотности тока заряда.

2. Установлено, что в спектре квазичастиц дважды упорядоченного сверхпроводящего состояния проявляются две щели, большая из которых, связанная с температурой сверхпроводящего перехода, определяется кулоновским отталкиванием, а меньшая обусловлена вкладом наведенного фононами притяжения, приводящего к росту сверхтекучей плотности при понижении температуры.

3. Показано, что симметрия параметра порядка относительно вращений в импульсном пространстве определяется конкуренцией между кулоновским и фононным вкладами в спаривающее взаимодействие, допускающей в разных соединениях или в одном и том же соединении при разных уровнях допирования как ¿¿-волновую, так и расширенную ¿"-волновую симметрии.

4. Найден показатель изотопического эффекта на температуре перехода в дважды упорядоченное сверхпроводящее состояние в зависимости от констант связи кулоновско-го и фононного механизмов спаривания и показано, что установленная зависимость находится в качественном согласии с наблюдениями изотопического эффекта в куп-ратных сверхпроводниках.