Какова же симметрия сверхпроводящего параметра порядка в ВТСП?
За последние несколько лет опубликовано много экспериментальных работ, посвященных орбитальной симметрии сверхпроводящего параметра порядка D в ВТСП. Основное внимание было уделено следующим соединениям: YBa2Cu3O7-x, Tl2Ba2CuO6+x, Bi2Sr2CaCu2O8+x и Nd1.85Ce0.15CuO4. При интерпретации экспериментальных данных мнения разделились. Одни эксперименты были объяснены d-волновой симметрией D , а другие - более "прозаичной" s-волновой симметрией. Подробный анализ экспериментальной ситуации и причин имеющихся противоречий дан в работе Richard'а Klemm'а (Argonne National Laboratory), которая готовится к публикации в International Journal of Modern Physics B (и, возможно, уже опубликована к моменту выхода в свет этого номера ПерсТ’а). R.Klemm отмечает, что все эксперименты можно условно разделить на 3 категории: 1) измерения термодинамических и транспортных характеристик; 2) фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES); 3) джозефсоновское туннелирование. После этого он "по косточкам" разбирает каждую из этих категорий.

1. Термодинамические и транспортные характеристики

1.1. Парамагнитный эффект Мейснера
Он наблюдается в неоднородных образцах, причем не только в ВТСП, но и, например, в ниобии. Его причина, по-видимому, никак не связана с симметрией D .

1.2. Нелинейный эффект Мейснера
Этот эффект должен наблюдаться в d-волновом сверхпроводнике, поскольку наличие у D нулей на поверхности Ферми приводит к появлению избыточной плотности квазичастичных состояний. При направлении магнитного поля, параллельном плоскости a-b, вращение образца вокруг оси c должно приводить к периодической зависимости намагниченности от угла поворота с периодом p /2. Намеки на такую периодичность имелись в ранних экспериментах. Позднее было установлено, что при низких температурах период равен p , как и в ниобии.

1.3. Теплоемкость
При низких температурах и сильных магнитных полях удельная теплоемкость C ~ TH1/2, что говорит в пользу d-волновой симметрии. Однако такая же зависимость C(T,H) имеет место в V3Si (предположительно, из-за спиновых флуктуаций).

1.4. Глубина проникновения
Температурная зависимость глубины проникновения магнитного поля l ab в плоскости a-b говорит о наличии нулей D на поверхности Ферми, тогда как зависимость l c(T) вдоль оси c описывается в рамках s-волновой модели. Таким образом, вся совокупность экспериментальных данных для l ab и l c не согласуется ни с "чистой" d-волновой, ни с "чистой" s-волновой симметрией D .

1.5. Сканирующая туннельная микроскопия
Экспериментально обычно измеряют изменение плотности электронных состояний на уровне Ферми при понижении температуры ниже Tc, и это изменение объявляется сверхпроводящей щелью. Для Hg-1201 результаты согласуются с s-волновой симметрией D , для Tl-2201 - с d-волновой симметрией, для Y-123 и Bi-2212 - и с той, и с другой (по данным разных авторов), причем иногда противоречивые данные получаются даже при измерениях в различных точках одного и того же образца! Не исключено, что за сверхпроводящую щель принимается щель, обусловленная волной зарядовой плотности, как в 2H-TaSe2.

2. Псевдощель

При Tc<T<T* в ВТСП с пониженной концентрацией носителей наблюдается так называемая "псевдощель", обладающая, по-видимому, d-волновой симметрией.

2.1. Фотоэмиссионная спектроскопия (ARPES)
Эксперимент свидетельствует о резкой анизотропии D на поверхности Ферми и возможном наличии у D нулей, что согласуется с d-волновой симметрией.

2.2. Рассеяние нейтронов
Получено непосредственное доказательство формирования волны спиновой/зарядовой плотности при T<T*. Анизотропная псевдощель "имитирует" d-волновую сверхпроводящую щель. Таким образом, за d-волновую сверхпроводимость могут ошибочно приниматься эффекты, связанные с конкурирующими волнами спиновой/зарядовой плотности, сохраняющимися вплоть до низких температур.

2.3. Аналогия с 2H-TaS2
Около 30 лет назад в литературе появилось сообщение о сверхпроводящих флуктуациях в 2H-TaS2 (pyridine)1/2, существующих вплоть до 30К (10Tc!). Позднее оказалось, что за сверхпроводящие флуктуации было ошибочно принято "не полностью разрушенное состояние" с волной зарядовой плотности. Аналогия с псевдощелью в ВТСП очевидна.

3. Джозефсоновское туннелирование

Эти эксперименты наиболее интересны, поскольку дают информацию о фазе сверхпроводящего параметра порядка, а не только о его величине, то есть щели, но они же и наиболее противоречивы.

3.1. Бикристаллические границы зерен Y-123
Измерения критического тока между зернами различной формы и окружающей их матрицей являются наиболее убедительным доказательством анизотропии D , но не могут быть объяснены d-волновой симметрией D .

3.2. Контакты между Pb и Y-123 по оси c
Имеющиеся в литературе данные говорят о том, что s-волновая компонента составляет по крайней мере 30% от D . Какую симметрию имеют остальные 70% D , на основании этих экспериментов сказать нельзя. Не исключено, что и d-волновую.

3.3. Контакты между Pb и Y-123 в плоскости a-b
Обнаружен сдвиг фаз на p , что считается доводом в пользу d-волновой симметрии. Однако есть и другое возможное объяснение: захват магнитного потока на краях образца (что и подтвердили недавние эксперименты, выполненные с помощью СКВИДа). Была сделана попытка устранить захваченный магнитный поток. Она оказалась удачной, а полученные при этом результаты добавили уверенности сторонникам d-волновой симметрии. Однако более тщательные повторные эксперименты лучше всего могут быть объяснены p-волновой (!) симметрией, хотя их авторы и делают вывод о d-волновом спаривании, "отбрасывая" при этом, по утверждению R.Klemm'а, большую часть данных.

3.4. Контакты на границах двойников
Зарегистрирован сдвиг фазы s-волновой компоненты (единственной, наблюдаемой в этих экспериментах) на p при пересечении границы двойника. Из этого был сделан вывод, что по разные стороны от границы D имеет (d+s)-волновую и (d-s)-волно-вую форму. Но разве можно на основании изменения фазы s-волновой компоненты заключать, что в D есть еще и d-волновая составляющая? Кроме того, интерпретация эксперимента осложняется возможным наличием на границе двойника локализованной волны спиновой/зарядовой плотности.

3.5. Трикристаллические границы зерен Y-123
Экспериментальные данные согласуются с d-волновым сценарием, однако и здесь не исключен паразитный эффект от магнитного потока, захваченного между слоями CuO2. Кроме того, на интерпретацию эксперимента влияет "извилистость" двойниковых границ, о чем свидетельствует просвечивающая электронная микроскопия.

3.6. "Внутренние" джозефсоновские контакты
Контакты между параллельными слоями CuO2 в ВТСП представляют собой "внутренние" (intrinsic) джозефсоновские контакты. Информацию об их характеристиках можно получить, анализируя ВАХ. Результаты должны зависеть от симметрии D . Имеющиеся на сегодняшний день данные говорят в пользу s-волновой симметрии.

3.7. Контакты на границе разлома
Если расколоть монокристалл ВТСП на две половинки вдоль проводящих кристаллографических слоев, а затем повернуть одну из половинок на некоторый угол a и вновь прижать эти половинки друг к другу, то можно ожидать наличие зависимости Ic такого контакта от a . В частности, для d-волнового сверхпроводника должно быть Ic=0 при a =450. Однако на эксперименте зависимости Ic от a не было обнаружено.

Выводы
Эксперименты очень противоречивы. Одни могут быть лучше всего объяснены d-волновой симметрией D , другие - s-волновой, третьи - смешанной (d+s)-волновой симметрией с существенным вкладом каждой волны. Пока даже не ясно, одинакова ли симметрия D во всех ВТСП или же различна. Не исключено, что во многих экспериментах параметры зарядового и/или спинового порядка могут быть ошибочно приняты за сверхпроводящий параметр порядка.

Для тех, кто хочет подробнее ознакомиться с состоянием экспериментальных исследований по затронутой проблеме, отметим, что работа R.Klemm'а содержит cсылки на все ключевые эксперименты.

Команда Лихарева из Stony Brook изготовила самую быструю в мире схему
Сотрудники State University of New York (Stony Brook, США) продемонстрировали устойчивую работу цифрового делителя частоты до частот 750ГГц при рассеиваемой мощности 10мкВт (рабочая температура 1.8К). Это - самая быстрая из известных твердотельных цифровых схем. Полупроводниковые схемы с аналогичными функциями, по крайней мере, на порядок медленнее и рассеивают в 105 (!) раз большую мощность. Работа схемы основана на принципах RSFQ (Rapid Single Flux Quantum) логики, обеспечивающих максимальное для сверхпроводниковых схем быстродействие. На одном чипе размещены 8 делителей частоты, каждый из которых включает 68 джозефсоновских переходов (Nb/AlOx/Nb) с площадью каждого - 0.25мкм2 при толщине электродов 150нм. Схема изготовлена с применением электронно-лучевой литографии для формирования рисунка. Разброс параметров переходов не превышает ± 10% (при этом в RSFQ схемах принципиально допускается 30% разброс). Схема содержит переходы с резистивным шунтом (Jc=0.5мА/мкм2, IcRn=1.8мВ) и нешунтированные (Jc=2мА/мкм2).

Кавитация Евгения Подклетнова
В 1899 году в романе “Путешествие на Луну” (“The First Men in the Moon”) Герберт Уэлс рассказал о том, как ученый Кавор открыл некоторое антигравитирующее вещество в виде минеральной пасты и назвал его каворитом. Покрыв им поверхность сферы, он отправился с друзьями на Луну. Российский ученый Е.Подклетнов претендует на открытие в наши дни реального каворита в виде сверхпроводящего материала YBCO. Схема установки, на которой в 1992г. в Финляндии Е.Подклетнов наблюдал уменьшение веса образца, размещенного над вращающимся в переменном магнитном поле сверхпроводящим диском, представлена на рисунке. Без вращения потеря в весе составляла 0.05%. Максимальная потеря в весе при вращении диска составляла 0.3%.

<>С тех пор не удается ни надежно подтвердить этот эффект, ни надежно его закрыть. Было проведено множество экспериментов, которые давали попеременно то положительный, то отрицательный результат. NASA выделила большие деньги на проведение эксперимента и для консультаций пригласила самого автора, но итог пока отрицательный. Главная сложность состоит в том, что изменение веса настолько мало, что трудно избежать посторонних воздействий. Кроме того, сам Подклетнов упирает на особую структуру полученного материала, которую трудно воспроизвести.

Как бы то ни было, большинство физиков скептически восприняло результаты Подклетнова, основываясь на положениях общей теории относительности, согласно которой гравитация вообще не сила, а искривление 4-х мерного пространства-времени, что является следствием совпадения гравитационного заряда с инерционной массой.

Но самое поразительное в этой истории то, что еще до опыта Подклетнова Li и Torr опубликовали две работы, в которых предсказывали генерацию гравитации при вращении сверхпроводящего диска в переменном магнитном поле.

За дальнейшим развитием событий можно проследить на странице в Интернете:

Ошибка! Закладка не определена.

Превращение тепловой энергии в электрическую в неоднородном сверхпроводящем кольце
Хотелось бы обратить внимание читателей ПерсТ'а на интересный результат работы [1], в которой рассматривается эффект Литтла-Паркса в неоднородном сверхпроводящем кольце. Еще в 1962 году Литтл и Паркс [2] обнаружили, что температура перехода тонкостенного цилиндра малого радиуса в сверхпроводящее состояние периодически (с периодом равным кванту потока) зависит от величины магнитного потока. Этот эффект был объяснен М.Тинкхамом [3], как одно из проявлений макроскопической квантовой природы сверхпроводимости (см. также [4]). Периодическое смещение критической температуры связано с квантованием скорости сверхпроводящих электронов, аналогично тому, как это имеет место в атоме. Скорость стремится приобрести минимально возможное значение. При потоке внутри цилиндра, кратном кванту потока, минимально возможное значение скорости равно нулю. Но при потоке, не кратном кванту, скорость не может быть равна нулю. Это приводит к зависимости энергии сверхпроводящего состояния от потока и, как следствие, к периодическому смещению критической температуры в магнитном поле. Это смещение имеет заметную величину в кольце (цилиндре), радиус которого сравним с корреляционной длиной [4].

М.Тинкхам [3] рассматривал однородное кольцо. В случае неоднородного кольца, один участок которого имеет пониженную критическую температуру в сравнении с другим [1], вследствие термодинамических флуктуаций на участке с меньшим Тс при температурах, соответствующих резистивному переходу этого участка, появляется напряжение, величина которого периодически зависит от величины потока внутри кольца, с периодом, равным кванту потока. При переходе в сверхпроводящее состояние участка с наименьшей Тс в кольце возникает ток фиксированного направления, а при обратном переходе в нормальное состояние на рассматриваемом участке появляется напряжение, так как вследствие конечной индуктивности кольца ток не может затухнуть мгновенно. При периодическом или хаотическом переводе участка с наименьшим Тс из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно на нем возникнет напряжение с постоянной составляющей, зависящей периодически от величины магнитного потока внутри кольца. Итак, сверхпроводящее кольцо является тепловой машиной, в которой тепловая энергия может быть преобразована в электрическую энергию постоянного тока. Без учета флуктуаций максимальный коэффициент полезного действия тепловой машины, реализуемый в цикле Карно, пропорционален амплитуде изменения температуры [5].

Однако переход из нормального состояния в сверхпроводящее и обратно может происходить и без изменения температуры вследствие флуктуаций, если разность энергий рассматриваемого участка в нормальном и сверхпроводящем состояниях не превышает kBT. Это возможно вблизи критической температуры, так как при Т=Тс эта разность равна нулю. Следовательно, постоянное напряжение может возникать в неоднородном сверхпроводящем кольце и при постоянной температуре, близкой к критической. Авторы дают подробное объяснение необычному явлению.

A.V.Nikulov and I.N.Zhilyaev, "The Little-Parks Effect in an Inhomogeneous Superconducting Ring." J. of Low Temp.Phys. 1998,112(3/4), p.227-236

W.A.Little and R.D.Parks, Phys.Rev.Lett.,1962, 9, p.9

M.Tinkham, Phys.Rev. 1963,129, p.2413

М.Тинкхам, Введение в сверхпроводимость. Атомиздат М.1980

Ч.Киттель, Статистическая термодинамика. "Наука", М., 1977

Резкий рост критической температуры "нового" ВТСП PrBa2Cu3Ox под давлением
В течение очень длительного времени после открытия ВТСП в 1986 году господствовало мнение, что соединение PrBa2Cu3Ox является "несверхпроводящим исключением" из ВТСП-серии ReBa2Cu3Ox (Re - редкоземельный элемент). Какие только версии не выдвигались для объяснения этого "факта": разрыв куперовских пар магнитными моментами атомов празеодима, уменьшение концентрации носителей заряда или их локализация и т.д. Эти споры закончились в 1996 году после открытия сверхпроводимости в тонких пленках PrBa2Cu3Ox [1] и его последующего подтверждения другими авторами [2]. Сверхпроводимость наблюдалась также и в монокристаллах PrBa2Cu3Ox [3]. Причина того, почему один из двух (одинаковых на первый взгляд) образцов PrBa2Cu3Ox является полупроводником, а другой - сверхпроводником, пока однозначно не установлена, хотя и выяснено, что их структуры несколько различаются (но весьма незначительно).

В этом году PrBa2Cu3Ox преподнес очередной сюрприз. Японские физики из National Research Institute for Metals, Electrotechnical Laboratory и Ibaraki University исследовали влияние высокого давления P на Tc монокристалла PrBa2Cu3Ox с различным содержанием кислорода [4,5]. Величина Tc определялась по нулю электросопротивления и при P=0 составляла 56.5 и 81К для x = 6.6 и 6.8 соответственно. Увеличение P привело к резкому росту Tc образца с x = 6.6. На начальном этапе скорость роста Tc составляла dTc/dP = 7.4К/ГПа. При P = 9.3ГПа (максимальное давление в этом эксперименте) величина Tc возросла до 105К, причем производная dTc/dP при таких высоких давлениях хоть и уменьшилась, но осталась положительной, то есть максимум Tc еще не был достигнут. Этот результат резко контрастирует с данными для ВТСП YBa2Cu3Ox, у которого при x = (6.8 ? 7) величина Tc почти не зависит от P и остается на уровне около 90К вплоть до P = 10ГПа. По мнению авторов [4,5] причина разного отклика PrBa2Cu3Ox и YBa2Cu3Ox на высокое давление кроется в различном характере распределения носителей заряда между структурными единицами элементарной ячейки и, соответственно с его различным перераспределением под давлением. Интересно, что Tc монокристалла PrBa2Cu3Ox с x = 6.8 увеличивается под давлением не так быстро, как при x = 6.6, хотя и превышает 100К при P = 10ГПа.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5