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.
Новые данные о псевдощели, сверхпроводящей щели и нанонеоднородностях в ВТСП
В последние годы споры о том, имеет ли псевдощель отношение к механизму высокотемпературной сверхпроводимости, свелись к дискуссии о количестве энергетических щелей в ВТСП.
Из одних экспериментов следует, что как выше, так и ниже критической температуры Tc в спектре квазичастичных возбуждений имеется только одна щель, то есть псевдощель при T > Tc является "предвестником" сверхпроводящей щели при T < Tc. Согласно соответствующим теоретическим моделям, при T = Tc возникает фазовая когерентность между куперовскими парами, сформированными при T = T* > Tc. Другие эксперименты свидетельствуют о наличии при T < Tc двух щелей, одна из которых сверхпроводящая, а вторая – нет. Если это действительно так, то сверхпроводимость в ВТСП либо конкурирует, либо сосуществует с какой-то несверхпроводящей фазой. В пользу "двухщелевой картины" говорят, в частности, различные размеры щели, определяемые при T < Tc разными методами (СТМ, фотоэмиссия, андреевское отражение, рамановская спектроскопия и др.). Еще один вопрос, по которому единого мнения пока нет, касается экспериментально наблюдаемой неоднородности щели на масштабе порядка нанометра. Широкое распространение получила точка зрения, что такая неоднородность является неотъемлемым атрибутом (может быть, даже причиной) высокотемпературной сверхпроводимости. Но не все с этим согласны. В работах [1] и [2] две группы исследователей независимо друг от друга пришли к выводу, что щелей в ВТСП все-таки две. При этом пространственно неоднородной является несверхпроводящая щель, тогда как сверхпроводящая – однородна.
Авторы [1] исследовали недодопированные и передопированные монокристаллы Bi2Sr2CaCu2O8+x методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) и однозначно показали, что существует щель, "открывающаяся" строго при T = Tc (когда сопротивление становится равным нулю) и отсутствующая при T > Tc. Это и есть сверхпроводящая щель. Она имеет симметрию, близкую к d-волновой (то есть, максимальна в направлении связей Cu-O и обращается в нуль на диагоналях Cu-Cu между этими связями), а при T < Tc ведет себя в соответствии с теорией БКШ (рис.1). Другая щель (псевдощель) при T »Tc почти не зависит от температуры. Она тоже максимальна в направлениях Cu-O, но гораздо больше сверхпроводящей щели и поэтому "загораживает" ее. По мере приближения к диагонали Cu-Cu псевдощель уменьшается, но остается больше сверхпроводящей щели на значительной части контура Ферми. Это и является причиной того, почему в предыдущих исследованиях ARPES сверхпроводящая щель либо оставалась "незамеченной", либо за нее ошибочно принимали псевдощель. В работе [1] впервые удалось найти такую область импульсного пространства вблизи диагонали Cu-Cu (рис.1), где сверхпроводящая щель хоть и невелика, но все же больше псевдощели, и поэтому ARPES "видит" именно ее (если подойти к диагонали Cu-Cu еще ближе, то сверхпроводящая щель уменьшается настолько, что становится сравнимой с погрешностью ARPES).
Рис. 1. Температурная зависимость сверхпроводящей щели Δ в различных участках контура Ферми ВТСП Bi2Sr2CaCu2O8+x. Направление Г-(π,π) в импульсном пространстве соответствует направлению Cu-Cu в координатном пространстве.
В работе [2] для измерения локальной величины энергетической щели в ВТСП
Bi2Sr2CuO6+x с Tc = 15К был использован сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Эксперимент проводили в сверхвысоком вакууме с очень высоким пространственным разрешением. Усовершенствование измерительной методики позволило построить "карты" распределения щели в одной и той же области образца при различных температурах. Как и в предыдущих СТМ-исследованиях, была обнаружена сильная пространственная неоднородность щели, причем максимальные размеры щели достигали 40 мэВ. Но очень слабая температурная зависимость этой неоднородности и ее наличие как при T < Tc, так и при T > Tc (рис. 2) навели авторов [2] на мысль вычесть "неоднородный фон" при T = 16 K > Tc из данных при T < Tc. Результатом такого вычитания явилась маленькая и практически однородная щель (рис. 3). Она обращается в нуль при T = Tc, то есть именно эта щель и является сверхпроводящей.
Рис. 2. Эволюция неоднородности энергетической щели в ВТСП Bi2Sr2CuO6+x с Tc = 15 К при увеличении температуры: T = 5 K (a); 8 K (b); 11 K (c); 13 K (d); 15 K (e); 17 K (f). Размер области сканирования 17.5 х 17.5 нм2.
Рис. 3. Пространственное распределение "маленькой" (сверхпроводящей) щели Δ = (6.7 ± 1.6) мэВ при T = 6 K для того же участка образца, что и на рис. 2, но после вычитания "неоднородного фона" при T = 16 К.
Данные работ [1] и [2], взятые в своей совокупности, указывают на то, что при T = T* > Tc в ВТСП формируется большая пространственно неоднородная щель (псевдощель), не имеющая отношения к сверхпроводимости, а при T = Tc возникает собственно сверхпроводящая щель – однородная и значительно меньшая по величине.