Научные исследования и технические разработки
по физике. Новости, факты, люди, интервью. Теория и практика.
Каталог статей. Каталог ссылок. Форум. Научно-технические разработки.
Документация, библиотека.
Палата мер и весов. Работа
для физиков. Юмор, сатира, лирика.
Флуктуационная сверхпроводимость органических сверхпроводников вблизи моттовского состояния
При охлаждении обычных сверхпроводников до критической температуры Tc носители заряда объединяются в куперовские пары. Поскольку для разрыва каждой такой пары требуется затратить некоторую энергию, то в спектре квазичастичных возбуждений возникает щель. Сверхпроводящее состояние макроскопической системы представляет собой когерентную суперпозицию состояний всех куперовских пар, причем фазовая когерентность тоже появляется при температуре Tc, то есть одновременно с самими парами.
Именно фазовая когерентность ответственна за два основных отличительных признака сверхпроводимости: нулевое электросопротивление и эффект Мейснера. Но во многих "необычных" сверхпроводниках с сильными межэлектронными корреляциями куперовские пары формируются при температуре выше Tc, то есть выше температуры когерентной "конденсации" пар. Это сопровождается рядом особенностей физических свойств, в своей совокупности называемых "псевдощелевыми". До настоящего времени псевдощелевые явления детально исследовались (за малым исключением) только в одном классе сверхпроводников – ВТСП [1]. Интерпретация экспериментальных данных при этом осложняется сильными тепловыми эффектами (являющимися следствием высоких Tc) и структурным беспорядком, который возникает при изменении концентрации носителей заряда (ключевого параметра, позволяющего "регулировать" свойства ВТСП) за счет изменения содержания кислорода или химического допирования. Кроме того, для изучения характеристик нормального состояния ВТСП при низкой температуре требуются огромные магнитные поля, превышающие Hc2.
(a) Кристаллическая структура молекулярных сверхпроводников k-(BEDT-TTF)2X. Органические молекулы BEDT-TTF образуют проводящие слои, разделенные диэлектрическими слоями неорганической компоненты.
(b) Фазовая диаграмма семейства k-(BEDT-TTF)2X в координатах температура – "эффективное давление". Соединения с различными анионами X соответствуют различным точкам на горизонтальной оси и характеризуются различными величинами параметра t/U (слева направо – от X = Cu[N(CN)2]Cl до X = Cu(NCS)2).
Чтобы лучше понять физику псевдощелевого состояния, нужно изучить различные классы сверхпроводников, где такое состояние имеет место. Это и послужило авторам работы [2] мотивацией для исследования семейства слоистых органических сверхпроводников k-(BEDT-TTF)2X, у которых Tc» 10 К и Hc2 < 10 Тл гораздо ниже, чем у ВТСП. В этих соединениях зона проводимости заполнена ровно наполовину, а изменение X от X = Cu[N(CN)2]Cl до X = Cu(NCS)2 ведет к уменьшению расстояния между димерами BEDT-TTF (как при гидростатическом сжатии), что при описании электронной зонной структуры в рамках модели Хаббарда эквивалентно увеличению матричного элемента перескока t при неизменной энергии одноцентрового кулоновского отталкивания U (см. рис.). При малых t/U, что отвечает X = Cu[N(CN)2]Cl, основное состояние является диэлектрическим. С ростом t/U в соединении с X = Cu[N(CN)2]Br появляется сверхпроводимость, а дальнейшее увеличение t/U при X = Cu(NCS)2 ведет к незначительному понижению Tc. Таким образом, параметр t/U в k-(BEDT-TTF)2X – это аналог концентрации дырок в ВТСП, за тем существенным отличием, что его изменение не сопровождается разупорядочением. По данным ядерного магнитного резонанса [3], при T > Tc в k-(BEDT-TTF)2Br имеет место уменьшение плотности электронных состояний, что напоминает псевдощель в ВТСП с низкой концентрацией дырок.
Поскольку магнитные вихри очень эффективно переносят тепло, то одним изпризнаков наличия сверхпроводящих флуктуаций при T > Tc является эффект Нернста: возникновение электрического поля
Ey = -NBzÑxT, перпендикулярного магнитному полю и градиенту температур. Ранее этот эффект наблюдался в псевдощелевом состоянии ВТСП [4]. В работе [2] обнаружено, что при охлаждении
k-(BEDT-TTF)2 Br с X = Cu(NCS)2 (большая величина t/U) коэффициент Нернста N практически не изменяется, оставаясь близким к нулю вплоть до Tc, а вот для X = Cu[N(CN)2]Br ("промежуточная" величина t/U, ближе к области моттовского диэлектрика на фазовой диаграмме) резкий рост N начинается при температуре T» 18 К, значительно превышающей Tc» 12 К. Из этого наблюдения авторы делают два вывода: 1) наличие сверхпроводящих флуктуаций при
T > Tc в таких разных по химическому составу и электрическим свойствам материалах как органические сверхпроводники и ВТСП говорит о том, что источник флуктуаций следует искать в сильных межэлектронных корреляциях, присутствующих и в том, и в другом классах соединений; 2) флуктуации имеют место в непосредственной близости к фазе моттовского диэлектрика. На основании сравнения своих результатов с различными теоретическими моделями [5,6] авторы [2] пришли к заключению, что наблюдаемые при T > Tc аномалии обусловлены флуктуациями фазы параметра сверхпроводящего порядка, а не его амплитуды.
(