2_06

2.6. Основные классы ВТСП
Основные классы ВТСП. Особенности и
отличия от низкотемпературных
соединений
Главные семейства ВТСП
.
 Можно выделить несколько главных семейств термодинамически
стабильных ВТСП: лантановые (неодимовые) структуры 2-1-4,
редкоземельные 1-2-3; 1-2-4 (иттриевоподобные), и, наконец,
сложные многокомпонентные купраты, представляемые общей
формулой как (Bi, Tl, Pb, Hg)m (Sr, Ba)2Can-1CunOx, m,n=1,2,...,
обладающие чрезвычайным разнообразием стехиометрических
составов и фаз (висмутовые, таллиевые, ртутные и др. ВТСП)
 Фуллерены – допированные щелочными металлами (K, Rb, Cs)
исходно сильные диэлектрики – кубические углеродные
модификации C60, молекула которого представляет правильный
многогранник
2
Электросопротивление
.
 В хороших монокристаллах и пленках оксидных ВТСП наблюдается
почти линейный рост сопротивления с повышением температуры
сразу за Tc вплоть до T=300 K и выше без насыщения
 Фазовый
3
переход
«металл–диэлектрик»
при изменении
стехиометрического состава либо под влиянием облучения,
давления
Электросопротивление
.
 В системе YBa2Cu3O6+δ при уменьшении содержания кислорода от
значения δ=1, соответствующего наиболее высоким критическим
параметрам, до δ=0.5, где сверхпроводимость исчезает, изменяется
характер температурных зависимостей электросопротивления от
металлического к полупроводниковому, понижается Tc
 Температурная зависимость подчиняется закону Мотта для
прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка
(ρ~exp{[T0/T]1/4})
 Можно предположить, что происходит переход ”металл–
диэлектрик” андерсоновского типа
 Похожие эффекты наблюдаются при радиационном воздействии на
ВТСП. При облучении высокоэнергетичными электронами, ионами,
нейтронами
также
происходит
смена
“металлической”
зависимости на полупроводниковую
4
Характеристики ВТСП
.
 Оценки постоянной Зоммерфельда γ из измерений электронной




5
теплоемкости в нормальном состоянии (в приближении свободных
электронов C=γT, γ=(2π2/3)N(EF)) и энергии Ферми дают EF~1000K,
что чрезвычайно мало, и низкую скорость на поверхности Ферми
vF~107 см/с
На температурной зависимости теплоемкости в точке перехода
прослеживается иногда аномально большой скачок
В соединениях ВТСП чрезвычайно низкие концентрации носителей
заряда: (по измерениям коэффициента Холла) n~1021 см–3
Практически во всех ВТСП носители – дырки, за исключением
неодимового и празеодимового ВТСП (Nd/Pr)2–xCexCuO4, где
реализуется электронная проводимость
ВТСП-соединения обладают сильной анизотропией физических
свойств даже в нормальном состоянии
Характеристики ВТСП
.
 Критические поля и длины когерентности:
Соединение
Поле перпендикулярно оси с
Поле параллельно оси с
Hc2(0), Тл
|| (0), Å
Hc2(0), Тл
  (0), Å
La2-xSrxCuO4
83
74
6
5
YBa2Cu3O6+d
140
35
28
7
Bi2Sr2CaCu2O8
270-400
34-40
21-29
2-3
 Особенность ВТСП – очень малые длины когерентности (несколько
периодов решетки). Это говорит о сильной локализации, сильных
корреляциях носителей заряда, в отличие от носителей заряда в
традиционных сверхпроводниках
 Изотопический эффект при замене 16O на 18O в иттриевом ВТСП
YBa2Cu3O6+δ практически отсутствует
6
Характеристики ВТСП
.
 Характерные фононные температуры (дебаевские) обычно порядка
300-400 K
 Измерения фононной плотности состояний говорят о существенном
ангармоническом вкладе, связанном со смещением кислорода в
базовых плоскостях в связях Cu-O (так называемые “дышащие”
моды)
 В соединении La2-хSrхCuO4 при увеличении допирования Sr (или Ba)
наблюдается так называемое “смягчение” фононных мод, что
находит отражение в уменьшении температуры Дебая от 360 K
(x=0) до 280 K (x=0.17)
 Надежно установлено, что вольт-амперная характеристика (ВАХ)
ВТСП вблизи критического тока может быть описана с помощью
эмпирического соотношения: E=C∙(j–jc)α. Для классических
сверхпроводников такое соотношение справедливо в режиме
вязкого течения потока
7
Характеристики ВТСП
.
 Типичная
температурная зависимость
монокристаллов YBa 2 Cu 3 O 6d
 Измеренный
8
критического
тока
из ВАХ критический ток имеет нелинейную
температурную зависимость, причем при низких температурах –
экспоненциальную ~ exp(–T/T0), а вблизи Tc удовлетворяет
эмпирическому соотношению jc=C∙(1–T/Tc)α.
Характеристики ВТСП
.
 Зависимость критического тока от внешнего магнитного поля
неплохо укладывается в соотношение
jc(B)=jc(0)exp[–B/B0]
 Эмпирический параметр B0 сильно зависит от температуры и
9
ориентации поля относительно оси с
Характеристики ВТСП
.
 Ток, как и другие критические параметры, сильно анизотропен, так
что при пропускании его вдоль оси с его значение в 2-10 раз
меньше, чем в перпендикулярном направлении
 Измерения поглощения продольного ультразвука свидетельствуют
о появлении пика в коэффициенте поглощения ниже температуры
сверхпроводящего перехода
 Изучались нелинейные отклики ВТСП на световые импульсы
пикосекундной(10-12с) длительности. Оказалось, что, в отличие от
низкотемпературных СП, в которых характерные времена
релаксации τ~10-9c, в ВТСП τ~10-10–10-11c, т.е. существенно меньше
 Системы ВТСП оказались настолько сложными, что только
комплексное использование практически всех известных
современных экспериментальных методик физики твердого тела
могло дать полную физическую картину как нормального, так и
сверхпроводящего состояний этих соединений
10