Динаміка квазічастинкових підсистем з різними енергетичними спектрами в ізотропних і анізотропних конденсованих середовищах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Динаміка квазічастинкових підсистем з різними енергетичними спектрами в ізотропних і анізотропних конденсованих середовищах

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Кінець минулого століття ознаменувався появою одразу двох нових вельми значимих наукових напрямків в області низькотемпературної фізики конденсованого стану. У фізиці твердого тіла таким напрямком, поза сумнівом, виявилася високотемпературна надпровідність (ВТНП), відкрита в 1986 р. Беднорцем і Мюллером. У той же час дослідження анізотропних квазічастинкових систем, очевидно, зіграли подібну роль в області фізики надплинних квантових рідин. При цьому слід зазначити, що в обох випадках присутність анізотропії в досліджуваній системі зумовила появу цілої низки незвичайних ефектів. Так, наприклад, формування фононних «листів» і генерація високоенергетичних h-фононів пучком низькоенергетичних l-фононів є незвичайними фізичними явищами, що виникають як наслідок фононної анізотропії в надплинному ⁴He. Сама рідина є ізотропною, проте фононний пучок, створений в ній за допомогою тонкої плівки нагрівача, може мати високий ступінь анізотропії, який обумовлений кутовими обмеженнями, що накладаються на фононне розсіювання. В той же час загальною рисою всіх високотемпературних надпровідних сполук є наявність купратних площин, що також зумовлює істотну анізотропію їх властивостей в нормальному і надпровідному станах. Зокрема, в області електротранспортних властивостей квазідвовимірна структура, разом з малою довжиною когерентності о і великою глибиною проникнення л, приводить до виникнення у ВТНП цілої низки низькотемпературних фазових переходів і квантових ефектів при температурах поблизу і значно вище критичної (Т_с). До їх числа можна віднести флуктуаційне формування в незвичайно широкому температурному інтервалі підсистеми заряджених бозонів (флуктуаційна парапровідність), некогерентний поперечний електротранспорт, псевдощілинну аномалію (ПЩ) і т.д. Всі ці явища є надзвичайно важливими як для розуміння природи ВТНП, так і для вирішення однієї з головних прикладних задач - отримання ВТНП - матеріалів з високою струмонесучою здатністю, які могли б конкурувати з традиційними низькотемпературними надпровідниками.

Слід зазначити, що, не дивлячись на значний прогрес, досягнутий останніми роками в розумінні вище перелічених фізичних явищ, все ще залишається ряд вельми важливих питань, які дотепер не знайшли свого остаточного експериментального і теоретичного розв'язання. А саме: (1) як відбувається просторова еволюція анізотропного фононного імпульсу в процесі його розповсюдження; (2) яким чином можливо детектувати високоенергетичні h-фонони окремо від низькоенергетичних l-фононів; (3) що відбуватиметься у разі зіткнення декількох незалежних фононних імпульсів і (4) яка при цьому роль зовнішніх чинників, наприклад підвищеного тиску; (5) яка роль псевдощілинної аномалії у формуванні надпровідного стану, тобто чи є ПЩ «передвісником» надпровідності або навпаки сприяє її пригніченню? Якщо має місце другий сценарій, то виникає закономірна задача пошуку шляхів пригнічення ПЩ і тим самим поліпшення надпровідних характеристик ВТНП. Якщо ж реалізується перший сценарій, то, яке співвідношення ПЩ-режиму з режимом флуктуаційної провідності, який, як відомо, так же як і ПЩ сприяє появі надлишкової провідності на температурних залежностях електроопору? (6) Яка роль анізотропії в реалізації різних режимів подовжнього і поперечного транспорту? І, в цьому аспекті, який взаємовплив ПЩ і ефектів локалізації? (7) І, нарешті, яка роль кристалічної решітки і структурних дефектів різної вимірності і морфології?

Сукупність вищезазначених проблем свідчить про важливість і актуальність проведення комплексних експериментальних досліджень процесів еволюції систем з різними спектрами квазічастинкових збуджень в ізотропних і анізотропних конденсованих середовищах, зокрема в умовах надплинності і надпровідності, а також впливу екстремальних зовнішніх дій, що складає зміст даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконана на кафедрі фізики низьких температур Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна. Дослідження, які склали зміст дисертаційної роботи, проведені у відповідності з тематиками Міністерства Освіти та ДФФД України за темами: «Вплив дефіциту кисню на пригнічення параметра порядку на двійниках» - № державної реєстрації 0304U0041/91; «Квантова теорія систем багатьох частинок» - № державної реєстрації 0103U004/96; «Комплексні фізичні дослідження природи надпровідного стану в шаруватих системах з різним спектром квазічастинкових збуджень» - № державної реєстрації 0104U0092/96; «Теорія багаточастинкових систем ферміонів і бозонів» - № державної реєстрації 0106U003/130.

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень було встановлення закономірностей флуктуаційного формування, часової і просторової еволюції підсистем заряджених і незаряджених бозонів в умовах структурної і кінематичної анізотропії в надплинному ⁴Не і ВТНП-сполуках системи 1-2-3.

Об'єкт дослідження - динаміка підсистем квазічастинкових збуджень в конденсованих середовищах різної морфології.

Предмет дослідження - динамічні і релаксаційні процеси в квазічастинкових підсистемах з різними енергетичними спектрами при низьких і наднизьких температурах.

Для досягнення поставленої мети було необхідно вирішити низку задач:

1. розробити і створити необхідну експериментальну базу для проведення досліджень еволюції анізотропних квазічастинкових систем в надплинному гелії при наднизьких температурах;

2. дослідити характер кутового розподілу енергії в пучку низькоенергетичних l-фононів в процесі його просторового поширення в надплинному гелії при різних потужностях і довжинах імпульсів;

3. знайти спосіб і створити методику роздільного детектування високоенергетичних h-фононів і низькоенергетичних l-фононів, а також встановити закономірності генерації «гарячих» h-фононів на різних етапах поширення «холодного» l-фононного імпульсу;

4. створити методику дослідження процесів взаємодії декількох незалежних фононних імпульсів при їх зіткненні в надплинному ⁴Не, а також визначити кутовий діапазон існування «гарячої лінії» і встановити роль 3_рр і 4_рр процесів розсіювання і підвищеного тиску в процесі її еволюції;

5. виростити досконалі монокристали ВТНП-системи 1-2-3 різного складу і одержати високоякісні зразки для резистивних досліджень з заданою дефектною структурою;

6. встановити закономірності впливу площинних і точкових дефектів, а також легування заміщаючими елементами на процеси флуктуаційного формування підсистем заряджених бозонів і еволюцію псевдощилинної аномалії в монокристалах ВТНП-сполук системи 1-2-3;

7. дослідити процес фазового розшарування і пригнічення надпровідності на двійникових межах при різній геометрії протікання транспортного струму, а також анізотропію надпровідних властивостей в монокристалах ReBa₂Cu₃O_7-д (Re=Y, Но) з різним ступенем відхилення від кисневої стехіометрії;

8. провести порівняння експериментальних температурних залежностей нормальної провідності в монокристалах ReBa₂Cu₃O_7-д (Re=Y, Но) з різним вмістом кисню з прогнозами RVB-моделі;

9. встановити особливості реалізації некогерентного поперечного електротранспорту в монокристалах ReBa₂Cu₃O_7-д (Re=Y, Но) з різним ступенем відхилення від стехіометрії і провести порівняльний аналіз експериментальних температурних залежностей анізотропії електротранспорту _с/_ab(Т) з існуючими теоретичними моделями, а також визначити закономірності взаємовпливу процесів локалізації і ПЩ в монокристалах ReBa₂Cu₃O_7-д (Re=Y, Но);

10. дослідити процеси перерозподілу лабільної компоненти в монокристалах YBa₂Cu₃O_7-д з різним вмістом кисню в умовах докладання високого гідростатичного тиску до 11 кбар і встановити характер їх впливу на флуктуаційну парапровідність і дифузійне перенесення заряду між фазами з різною критичною температурою.

Методи досліджень. Всі дослідження процесів релаксації в умовах надплинності ⁴Не проводили в спеціально виготовлених експериментальних осередках, які охолоджували в рефрижераторі розчинення ³Не в ⁴Не до наднизьких температур Т ? 50 мК і заповнювали ізотопічно чистим ⁴Не.

Монокристали ВТНП-сполук системи 1-2-3 вирощували за розчин-розплавною технологією в золотому тиглі у присутності слабкого градієнта температури. Вирізання містків для резистивних досліджень здійснювали імпульсним ультрафіолетовим лазером у ФТІНТ НАН України.

Структурні дослідження проводили методами рентгенівської дифрактометрії, електронної і оптичної мікроскопії. Рентген-дифрактометричні дослідження проводили на апараті ДРОН-3М в монохроматичному Сu-К_б випромінюванні.

Вимірювання анізотропії електроопору проводили методом Монтгомері, а вимірювання провідності в базисній ab - площині при дослідженнях флуктуаційних явищ - по стандартній чотирьохконтактній методиці на постійному струмі.

Вимірювання в умовах докладання високого гідростатичного тиску до 11 кбар проводили в мультиплікаторі типу поршень-циліндр. Тиск усередині камери високого тиску визначали манганіновим манометром.

Температуру в експериментальних осередках на різних температурних інтервалах вимірювали багатозаходними мідь - константановими термопарами, а також платиновими, вугільними, германієвими і рутенієвими терморезисторами.

Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні роботи було одержано низку нових науково обґрунтованих результатів, які мають важливе фундаментальне і прикладне значення і в сукупності складають вагомий внесок у розвиток таких найважливіших напрямків фізики конденсованого стану, як фізика надплинних квантових рідин і високотемпературна надпровідність. Серед основних наукових результатів слід відзначити наступні:

I. Вперше експериментально показано, що кутовий розподіл пучка низькоенергетичних l-фононів, що генерується нагрівачем у надплинному гелії, має форму з площинним верхом, ширина якого збільшується із зростанням потужності і довжини імпульсу. Показано, що площинний верх кутового розподілу виникає як наслідок утворення «гарячої плями» в центральному регіоні фононного листа і генерації в області цієї плями високоенергетичних h-фононів, котрі залишають центральний регіон l-фононного листа при постійній температурі.

II. Вперше встановлено, що (а) високоенергетичні фонони безперервно генеруються впродовж всієї траєкторії розповсюдження низькоенергетичного фононного імпульсу в рідкому ⁴He; (б) з урахуванням дисперсії швидкостей високоенергетичних фононів, сигнал, що прибуває на болометр в кожен момент часу, визначається їх енергетичним діапазоном; (в) форма високоенергетичного фононного сигналу, у разі коротких імпульсів, добре описується в рамках передбачень теоретичної моделі Адаменко-Віатта.

III. Вперше зареєстровано ефект формування «гарячої лінії» при взаємодії двох фононних листів, що стикаються у надплинному ⁴He та встановлено закономірності реалізації її режиму в широкому кутовому і баричному діапазонах. Показано, що тілесний кут, який займають l - і h - фонони гарячої лінії в імпульсному просторі збільшується, а температура зменшується з кутом між нормалями і потужністю нагрівачів.

IV. Отримали подальший розвиток комплексні дослідження закономірностей впливу структурних особливостей і контрольованого дефектного ансамблю на флуктуаційне формування підсистем заряджених бозонів, а також реалізацію низки низькотемпературних фазових переходів в монокристалах ВТСП-системи 1-2-3 при температурах вище критичною. При цьому вперше встановлено, що наявність в таких сполуках меж двійникування може сприяти посиленню процесів розпаровування флуктуаційних носіїв, тим самим, зміщуючи точку 2D-3D кросовера. Збільшення ступеня кисневої нестехіометрії приводить до значного розширення температурного інтервалу флуктуаційного формування підсистеми нескорельованих заряджених бозонів.

V. Вперше встановлено, що надлишкова провідність монокристалів YBa₂Cu_3-yAl_yO_7-д і Y_1-zPr_zBa₂Cu₃O_7- у широкому інтервалі температур підкоряється експоненціальній температурній залежності. При цьому, в той час як слабке допування празеодимом монокристалів YВaCuO сприяє значному звуженню температурного інтервалу реалізації псевдощілинного стану в базисній площині, внесення добавки алюмінію при такій же концентрації приводить до зворотного ефекту розширення області існування ПЩ-режиму, тим самим звужуючи лінійну ділянку, що відповідає нормальній провідності.

VI. Вперше показано, що, на відміну від сполуки YВа₂Сu₃О_7-д, для випадку НоВа₂Сu₃О_7-д температурна залежність анізотропії електротранспорту, добре описується за допомогою універсального «закону 1/2» для термоактіваційної стрибкової провідності. При цьому абсолютні значення величини псевдощілини і енергетичної щілини перенесення заряду упоперек базисної площини змінюються з різними знаками похідних при варіюванні вмісту кисню.

VII. Вперше встановлено, що на відміну від зразків YВа₂Сu₃О_7-д стехіометричного складу, в монокристалах з великим дефіцитом кисню, величина поперечної довжини когерентності має істотне компресійне зменшення. При цьому докладання високого гідростатичного тиску приводить до посилення фазового розшарування зразка і дифузійного переміщення лабільної компоненти із фази з нижчою критичною температурою до високотемпературної фази.

Практичне значення одержаних результатів. Для практичних цілей безперечну цінність представляють вперше розроблені і реалізовані в роботі методи роздільного детектування низько- і високоенергетичних фононів, а також вивчення кутових, часових і баричних залежностей еволюції гарячої лінії при її розповсюдженні в надплинному гелії, які можуть бути використані для подальших досліджень процесів релаксацій в надплинних квантових рідинах. Встановлені в роботі закономірності впливу дефектного ансамблю різної морфології, легування домішками і високого гідростатичного тиску на транспортні властивості ВТНП-системи 1-2-3 дають істотний внесок в розвязання однієї з важливих прикладних і фундаментальних задач фізики конденсованого стану - отримання ВТНП-матеріалів з високими критичними параметрами.

Результати, одержані в дисертаційній роботі, можуть слугувати надійною основою для подальших експериментальних і теоретичних досліджень в таких найважливіших розділах фізики конденсованого стану, як фізика надпровідності і фізика надплинності, а також бути використані при викладанні спецкурсів для студентів старших курсів фізичних спеціальностей.

Особистий внесок автора. Всі результати, узагальнені в дисертаційній роботі, одержані при безпосередній участі автора. Роботи [4,18,24] виконані автором самостійно. Інші наведені в дисертації результати одержані автором у співробітництві. Зокрема, в роботах [1-3], [5], [7-17], [19-23] і [25,27] автору належить формулювання теми і мети дослідження, обґрунтування більшості задач, вирішених при виконанні роботи, ним проведена абсолютна більшість експериментальних досліджень, а також обробка і аналіз експериментальних даних. У роботі [6] автору належить вся експериментальна частина. У роботі [26] здобувач приймав безпосередню участь у аналізі та інтерпретації результатів, що отримано. Автором сформульовані і обґрунтовані висновки по окремих розділах, а також сформульовані підсумкові висновки. Таким чином, особистий внесок автора в даній роботі є визначальним.

Апробація результатів роботи. Результати роботи були представлені на вітчизняних та міжнародних конференціях та семінарах, в тому числі:

· Міжнародній конференції присвяченій 90-річчю з дня народження Л.С. Палатніка «Фізика тонких плівок» (НТУ - ХПІ, Україна, м. Харків, 1999 р.);

· 5-й міжнародній конференції «Фізичні явища в твердих тілах» (ХНУ ім. В.Н. Каразіна, Україна, м. Харків, 2001 р.);

· 2-й міжнародній конференції «Фізика рідкої матерії: новітні проблеми» (Україна, м. Київ, 2003 р.);

· Міжнародному симпозіумі «Квантові рідини і тверді тіла» (університет штату Нью Мехіко, США, м. Альбукерк, 2003 р.);

· Міжнародній конференції ICCM-2005 «Кристалічні матеріали - 2005» (Інститут монокристалів НАН України, м. Харків, 2005 р.);

· 7-й міжнародній конференції «Фізичні явища в твердих тілах» (ХНУ ім. В.Н. Каразіна, Україна, м. Харків, 2005 р.);

· Міжнародній конференції «Фізика конденсованого стану при низьких температурах» присвяченої 100-річчю з дня народження академіка НАНУ Б.Г. Лазарєва (УФТІ НАН України, м. Харків, 2006 р.);

· Міжнародній конференції E-MRS-2006 «Комплексні оксидні матеріали для новітніх технологій» (Польща, м. Варшава, 2006 р.);

· 2-й, 3-й, 4-й і 5-й щорічних міжнародних конференціях ІОТН-2003 - ІОТН - 2006 «Інформаційно-обчислювальні технології у фундаментальних і прикладних фізико-математичних дослідженнях» (Російська Академія наук, м. Москва, 2003-2006 р.р.);

· Міжнародному ювілейному семінарі «Сучасні проблеми фізики твердого тіла» присвяченому пам'яті Е.А. Канера і 50-ій річниці відкриття циклотронного резонансу в металах (ІРЕ ім. А.Я. Усікова НАН України, м. Харків, 2006 р.);

· Міжнародній конференції «Мезоскопічні явища в твердих тілах» присвяченій 100-річчю з дня народження академіка НАНУ В.І. Архарова (ДонФТІ ім. А.А. Галкіна НАН України, м. Донецьк, 2007 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 43 наукових праці, у тому числі 27 в провідних іноземних і вітчизняних фахових виданнях, а також в 16 статтях і тезах, опублікованих в збірниках наукових праць міжнародних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, переліку умовних позначень і скорочень, 9 розділів, висновків, і переліку використаних джерел з 237 найменувань. Повний обсяг складає 301 сторінку, в тому числі 91 рисунок, з яких 7 займають окремі сторінки, і 7 таблиць.

Основний зміст роботи

фонон гелій імпульс

Вступ містить обґрунтування актуальності теми і доцільність дисертаційної роботи для дослідження динаміки підсистем квазічасткових збуджень різного спектру в ізотропних і анізотропних конденсованих середовищах в умовах надпровідності і надплинності. У ньому сформульовані мета і задачі досліджень, стисло описані експериментальні методики досліджень, показана наукова новизна одержаних результатів, а також їх наукове і практичне значення, визначений особистий внесок претендента, наведені дані про апробацію результатів роботи і список публікацій, описана структура дисертації.

У першому підрозділі першого розділу «Об'єкти і методи досліджень» наведена принципова схема експериментальної установки для створення і вивчення властивостей сильно анізотропних фононних і ротонних пучків в надплинному гелії, описані принципово нові пристрої і методики дослідження таких систем, розроблені і реалізовані в процесі виконання дисертаційної роботи. Стисло описана технологія напилювання тонких плівок і методика виготовлення генераторів і детекторів фононних пучків в надплинних квантових рідинах. Приведено описання методу роздільного детектування високо- і низькоенергетичних фононів в Не-II, пристрою низькотемпературних осередків для вивчення кутового розподілу енергії в анізотропних фононних листах, а також експериментального методу вивчення процесів зіткнення таких листів і дослідження еволюції «гарячої лінії» при наднизьких температурах.

У другому підрозділі цього ж розділу описана розчин-розплавна технологія вирощування ВТНП-монокристалів системи 1-2-3, методика отримання монокристалічних зразків високого ступеня досконалості і зразків з різним ступенем відхилення від стехіометрії, із заданою топологією площинних дефектів і монодоменних роздвійникованих кристалів, а також кристалів, легованих різними заміщаючими елементами. Крім цього стисло описані методи структурного аналізу кристалів, що застосовувалися, технологія виготовлення містків для проведення транспортних досліджень і нанесення струмових і потенційних контактів при вимірюванні поздовжньої і поперечної провідності.

У третьому підрозділі приведені схематичні описання експериментальних установок і пристроїв, що використовувалися при проведенні вимірювань. Зокрема: (1) установки для резистивних досліджень анізотропії поздовжнього і поперечного транспорту; (2) установки для транспортних досліджень в магнітних полях до 15 кЕ; (3) мультиплікатора високого тиску і методики проведення вимірювань в умовах докладання високого гідростатичного тиску до 14 кбар. Також приведені основні метрологічні характеристики приладів і устаткування, яке використовувалося в процесі експериментальних досліджень.

Другий розділ складається з двох основних частин. У першому підрозділі дається короткий огляд теоретичних і експериментальних досліджень особливостей дисперсійної кривої і її еволюції в процесі докладання підвищеного тиску. Описані явища нормальної і аномальної дисперсії фонон-ротонної ділянки і показана роль цих явищ у виникненні ефекту народження фононів з високою енергією (h-фононів) в надплинному гелії низькоенергетичними l-фононами. Перераховані експериментальні роботи, в яких було зареєстровано це незвичайне фізичне явище [1], і приведене його коротке теоретичне обгрунтування [2], а також описана послідовність трансформації l-фононів в h-фонони для випадків декількох різних довжин імпульсів.

У другому підрозділі цього розділу представлені оригінальні експериментальні результати серії вимірювань кутових розподілів енергії пучка l-фононів, що генерується нагрівачем при різних потужностях і довжинах імпульсів. Вперше зареєстровано, що такий кутовий розподіл має не звичайну форму з плоскою верхньою ділянкою, ширина якого збільшується із зростан-ням потужності і довжини імпульсу (рис. 1). Висунуто припу-щення про те, що плоский верх кутового розподілу утворюється унаслідок генерації високоенергетичних h-фононів [2], які залишають центральний регіон l-фононного листа при однаковій темпера-турі Т 0.7 К. При найменших потужностях і довжинах імпульсу генерація h-фононів невелика і ширина плоскої ділянки мінімальна. В той же час ширина плоскої вершини насичується при довжинах імпульсу близько 300 нс, при яких реалізується довгоімпульсний режим розповсюдження пучка. При цьому ширина плоскої вершини продовжує зростати при збільшенні потужності у всьому дослідженому діапазоні. Показано, що сумарна енергія l- і h-фононів не має розподілу з плоскою вершиною, а має вузький закруглений пік. Це також підтверджує припущення про те, що зміна енергії в l-фононному листі конвертується в утворення h-фононів.

У третьому розділі описаний метод роздільного детектування високо- і низькоенергетичних фононів, який вперше дозволив в деталях виміряти форму високоенергетичного h-фононного імпульсу в рідкому ⁴He при температурі Т ? 50 мK практично вільний від l-фононної складової. Короткий тепловий імпульс, інжектованний в рідкий ⁴He створює імпульс сильно взаємодіючих низькоенергетичних l-фононів [1-3]. Високоенергетичні h-фонони генеруються посередництвом 4_рр-взаємодії усередині такого імпульсу і практично одразу залишають його унаслідок своєї нижчої групової швидкості [2]. Болометр детектує обидві групи фононів, проте зазвичай обидва сигнали накладаються один на один на достатньо широкому часовому проміжку (рис. 2 (b) і (с)), що на практиці вельми ускладнює розділення внесків від l- і h-фононної фракцій. У нашому експерименті пригнічення детектування l-фононного сигналу здійснювалося орієнтуванням болометра під певним кутом до фононного пучка (рис. 2 (a)).

У разі, коли нормаль болометра була розташована під кутом 40^о по відношенню до напрямку руху фононного пучка через 3 мкс після старту сигналу l - фононний внесок складав менше 1% від загального фононного внеску (рис. 2 (d)). Використовуючи цю техніку, ми виміряли h-фононный сигнал в широкому інтервалі потужностей і довжин імпульсів.

Інтегральний h-фононый сигнал пропорційний загальній енергії h-фононної підсистеми. Ми показали, що ця енергія є універсальною функцією енергії імпульсу нагрівача для випадку не дуже великих довжин імпульсів (мал. 3 (а) і мал. 3 (b)). При низьких енергіях імпульсу ця залежність є лінійною і відхиляється нижче у області вищих енергій. Лінійний характер залежності є очікуваним за ситуації, коли постійна частка l-фононної енергії конвертується в створення h-фононів усередині пучка і при цьому h-фонони залишають основний пучок без розсіювання. Це, у свою чергу, можливо за умов постійності первинної температури і коротких довжинах імпульсів. У протилежному випадку експериментальна крива наближається до насичення унаслідок збільшення інтенсивності розсіювання h-фононів всередині і за межами l-фононного імпульсу.

Ми показали, що високоенергетичні h-фонони без-перервно генеруються впродовж всієї траєкторії розповсюдження низько-енергетичного l-фононного імпульсу в рідкому ⁴He. З урахуванням дисперсії швидкостей високоенергетичних фононів, сигнал, що приходить на болометр в кожен момент часу, визначається їх енергетичним діапазоном. При цьому форма h-фононного сигналу може бути детально пояснена для випадку коротких імпульсів з використанням моделі, яка об'єднує теоретичну частоту генерації h-фононів як функцію h-фононного імпульсу і початкову температуру.

Комп'ютерне моделювання h-фононного сигналу, проведене для випадку коротких імпульсів, дозволило успішно відтворити основні особливості одержаних експериментальних результатів.

У четвертому розділі приведені результати дослідження процесів зіткнення анізотропних фононних листів в надплинному гелії і унікального ефекту формування «гарячої лінії» при наднизьких температурах.

Було встановлено, що l - фононні листи, що розповсюджуються в надплинному гелії, інтенсивно взаємодіють, коли кут між ними малий (рис. 4 (с) і (d)) і не взаємодіють при великих кутах (рис. 4 (е) і (f)). Це є прямим підтвердженням того, що фонони в листі займають вузький конус в імпульсному просторі з характерним кутом ~ 10^о (рис. 4 (а) і (b)). Коли кут між листами малий, взаємодія між листами сильна і приводить до утворення гарячої лінії в рідкому гелії. Ця лінія рухається зі швидкістю с = 238 м/с вздовж бісектриси між двома нормалями до листів (рис. 4 (g)) і безперервно підживлюється енергією від ареалів листів, що зменшуються, а також витрачає енергію на генерацію h - фононів, при цьому знаходячись в динамічній рівновазі при фактично постійній температурі на всьому шляху її розповсюдження. Гаряча лінія збирає енергію від тих частин листів, які в протилежному випадку не потрапляють на болометр, що приводить до значного посилення h - і l - фононних сигналів, у порівнянні з сумарним сигналом від двох фононних листів, що розповсюджуються роздільно (рис. 5).

За допомогою затримки одного листа відносно іншого можна зміщувати гарячу лінію відносно початкового положення. Використовуючи цю методику ми показали, що чутлива область болометра (детектора) складає близько 10^-2 мм². Ми виміряли профіль гарячої лінії і показали, що її ширина, яка звичайно становить близько 1 мм, змінюється як 1/sin (б/2) при варіюванні б (кута між двома листами).

Варіювання енергії l - фононів в гарячій лінії як функції кута показала наявність трьох особливих регіонів (рис. 6). При малих кутах б < б_рк, де б_рк=13⁰ для потужностей імпульсів 25 мВт мм² фононні листи сильно взаємодіють. Для б_рк < б < б_max (13^o < б < 25^o) і потужностей імпульсів 25 мВт мм² взаємодія зменшується з кутом і для б > б_max, де б_max = 25^o для потужностей імпульсів 25 мВт мм² і тривалості імпульсу 50 нс імпульсів взаємодія між листами не виникає. При низьких потужностях ці три регіони зміщуються у бік малих кутів. l - фононний інтеграл росте приблизно лінійно з кутом б в першому регіоні, а потім швидко зменшується в другому регіоні. У третьому регіоні спарений сигнал дорівнює сумі сигналів від окремих листів. Результати вимірювань якісно узгоджуються з прогнозами теорії [3], проте величина б_max виявляється дещо меншою передбачуваної. Ми припускаємо, що це відбувається через більш швидке охолодження листів за рахунок генерації h - фононів. Із значень кутів для піка l - фононного сигналу ми оцінили домінуючий кут 3_рр - розсіювання, який складає близько 10^o і дещо варіюється з потужність нагрівача, що узгоджується з розрахунками [3]. h - фонони мають три подібні регіони, хоча в першому регіоні h - фононна енергія змінюється більш повільно з кутом б, у порівнянні з l - фононною енергією.

Виходячи з припущення про те, що гаряча лінія знаходиться в динамічній рівновазі з енергією трансформованою з ареалів фононних листів, що скорочуються, і використовуючи одержану теоретично частоту генерації h - фононів, ми отримали пару подібних рівнянь в термінах Т_hl і Щ_hl:

(1)

, (2)

де і - часові інтеграли l-и h-фононных сигналів гарячої лінії, відповідно. R - чутливість детектуючої системи (вольт / Вт, поглинутих болометром); б_l і б_h - частки енергії, яка передається в болометр і - чутлива область болометра; Щ_hl - тілесний кут, який займають фонони в імпульсному просторі; Т_hl - температура гарячої лінії; t_p. - тривалість імпульсу і б - кут між фононними листами. Підставивши експериментально виміряні значення величини фононних енергій в ці рівняння і використавши інші експериментальні величини, ми розв'язали ці рівняння відносно Т_hl і Щ_hl. Залежності Т_hl і Щ_hl були обґрунтовані і одержані без використання будь-яких підгоночних параметрів. Ми отримали, що Щ_hl збільшується, а Т_hl зменшується з кутом б і потужністю нагрівача.

У п'ятому розділі приведені результати серії вимірювань баричних залежностей сигналу від поодинокого фононного листа, а також від двох взаємодіючих фононних листів в надплинному ⁴He. У разі двох взаємодіючих фононних листів показано, що докладання тиску в інтервалі 0 ? Р ? 21 бар викликає ефект зміни інтенсивності фононної взаємодії в області перетину двох фононних листів, подібний випадку зміни величини кута між їх нормалями. Представлені експериментальні результати дозволяють зрозуміти фізичні причини і механізми утворення гарячої лінії. При русі поодинокого імпульсу від нагрівача до детектора відбувається його поперечне розширення в двох напрямках, що відповідають двом початковим межам імпульсу. В результаті цього розширення на болометр, розміри якого близькі до розмірів нагрівача, потрапляє тільки частина енергії імпульсу. При одночасному русі двох однакових імпульсів від нагрівача до детектора відбувається їх перетинання. При цьому можливі дві принципово різні ситуації: (1) при тиску Р > 18 бар в надплинному ⁴Не час взаємодії фононних імпульсів менший часу релаксації фононів і фонони різних імпульсів не встигають провзаємодіяти в області їх перетину. При цьому гаряча лінія не утворюється і еволюція в часі і просторі кожного з них відбувається незалежно. В цьому випадку амплітуда сигналу на болометрі від двох одночасно інжектованих імпульсів дорівнює сумі амплітуд сигналів від цих двох нагрівачів, на які імпульси струму подаються в різні моменти часу (рис. 7); (2) при тиску Р < 18 бар час взаємодії імпульсів в об'ємі їх перетину більший за час релаксації фононів, таким чином фонони різних імпульсів встигають провзаємодіяти один з одним і створити у області їх перетину гарячу лінію, що поширюється перпендикулярно площині болометра. В цьому випадку енергія імпульсів, що розширяються, не розсіюється в просторі, а накопичується у області гарячої лінії і рухається вздовж осі симетрії до болометра. У результаті амплітуда l-фононного сигналу завжди виявляється більшою суми амплітуд сигналів при незалежному русі кожного імпульсу до болометра.

Таким чином, порівняння баричних залежностей окремого фононного листа і двох взаємодіючих листів, дозволило підтвердити визначальну роль 3_рр-процесів розсіяння при взаємодії фононних листів і формуванні анізотропних фононних систем в цілому.

Шостий розділ складається з двох основних частин. У першому підрозділі приведені літературні дані щодо кристалічної структури і характерних особливостей дефектного ансамблю ВТНП-сполук системи 1-2-3, а також проведений короткий аналіз сучасного стану питання досліджень їх транспортних характеристик. Розглянуті основні закономірності впливу структурних дефектів на транспортні властивості надпровідника YBa₂Cu₃O_7-д в нормальному і надпровідному станах, а також в проміжній області флуктуаційної парапровідності. Аналізуються результати теоретичних і експериментальних досліджень впливу відпалювання на критичну температуру монокристалів YBa₂Cu₃O_7-д з різним вмістом кисню.

Другий підрозділ, у свою чергу, розділений на пункти. У першому пункті проведений порівняльний аналіз нормальної і флуктуаційної провідності в базисній ab-площині монокристалів ReBa₂Cu₃O_7-д (Re = Y, Ho) із заданою топологією площинних дефектів і різною геометрією протікання транспортного струму, а також в монодоменному зразку, в якому площинні дефекти були видалені за допомогою спеціальної методики (місток В1). При цьому геометрію експерименту вибирали таким чином, щоб вектор транспортного струму I був паралельним (містки В2 і В4), перпендикулярним (В3), або протікав під кутом б = 45⁰ (B5) до площин двійникування (вставки до рис. 8).

Як видно з рис. 8, температурна залежність електроопору вище Т ? 150 К близька до лінійної. Нижче цієї температури відбувається відхилення питомого опору вниз від лінійної залежності, що приводить до виникнення деякої надлишкової провідності, величину якої звичайно визначають з рівняння:

, (3)

де ₀ значення провідності, визначуване шляхом екстраполяції лінійної ділянки =(А+ВТ)^-1 до нульового значення температури, а експериментальне значення провідності у нормальному стані. Вимірність електронної підсистеми шаруватих надпровідників визначається співвідношенням між _с довжиною когерентності вздовж осі с і d товщиною двовимірного шару. У разі d < _с взаємодія між флуктуаційними парами реалізується у всьому об'ємі надпровідника (3D-режим), при d > _с така взаємодія можлива тільки безпосередньо в надпровідних шарах (2D-режим).

Основні теоретичні моделі, що описують режим ФП в шаруватих надпровідниках були запропоновані Асламазовим-Ларкіним [4] і Лоуренцом-Доніахом [5]. Згідно [5], температурна залежність ФП дається рівнянням:

(4)

Поблизу Т_с, при _с>>d (3D-режим) це рівняння перетвориться в [4]:

(5)

або оддалік Т_с, при _с<<d (2D-режим):

(6)

де =(T-T_c)/T_c. За Т_с приймалося значення Т_с^mf критичної температури в наближенні теорії середнього поля, визначуваної в точці:

, (7)

що відповідає максимуму на залежності dс_ab(Т)/dT у області переходу в надпровідний стан. Як випливає з (5) і (6), в точці 2D-3D кросовера повинна виконуватися рівність:

. (8)

Тоді, визначивши значення ₀ в точці 2D-3D кросовера і приймаючи d=11.7 Е для ReBa₂Cu₃O_7-д (Re=Y, Ho) можна обчислити значення _с(0). Результати розрахунків, проведених по формулі (8), дозволили встановити, що двійникові межі є ефективними центрами розсіювання нормальних і флуктуаційних носіїв. При цьому значення довжини когерентності перпендикулярно базисній площині _с(0), одержані при апроксимації температурної залежності надлишкової провідності теоретичною моделлю Лоуренца-Доніаха. задовільно узгоджуються із значеннями, одержаними з магнітних досліджень для оптимально допованних киснем монокристалів YBa₂Cu₃O_7-д.

У другому пункті досліджено вплив кисневої нестехіометрії на температурну залежність надлишкової провідності монокристалів YBa₂Cu₃O_7-д. Встановлено, що зниження вмісту кисню приводить до значного звуження інтервалу лінійної залежності с_ab(Т), розширення області реалізації надлишкової провідності і збільшення довжини когерентності уздовж осі с _с(0) більше ніж удвічі. У третьому пункті розглянуто результати досліджень впливу перерозподілу лабільної компоненти на надлишкову провідність монодоменних роздвійникованих монокристалів YBa₂Cu₃O_7-д з невеликим д ? 0.15 дефіцитом кисню. Було показано, що в процесі відпалювання при кімнатних температурах протягом близько 4 діб відбувається незначне загальне відносне звуження температурної області реалізації ФП, від t_f = 0,0823 до 0,0807, при одночасному відносному розширенні області існування псевдощілинного режиму, від t* = 0.7232 до 0.8931. При цьому абсолютне значення величини псевдощілини Д*_ab зменшується приблизно на 10%.

Сьомий розділ також складається з двох основних частин. У першому підрозділі дається короткий огляд теоретичних і експериментальних досліджень особливостей реалізації псевдощілинного стану у ВТНП. Проаналізовані основні експериментальні результати, одержані до теперішнього часу, і основні теоретичні концепції реалізації ПЩ-аномалії у ВТНП-сполуках. Проведений аналіз показав, що в даний час в літературних джерелах інтенсивно дискутуються два основні сценарії виникнення псевдощілинної аномалії у ВТНП-системах. Згідно першому, виникнення ПЩ пов'язане з флуктуаціями ближнього порядку «діелектричного» типу, наприклад, антиферомагнітними флуктуаціями, хвилями зарядової і спінової густини і т.д. Другий сценарій припускає формування куперівських пар вже при температурах істотно вище за критичну Т* >> Т_с з подальшим встановленням їх фазової когерентності при Т < Т_с. Інтенсивні дискусії з даного питання продовжуються дотепер. В кінці першої частини цього розділу сформульовані короткі висновки щодо сучасного стану питання і наведений перелік деяких задач, які дотепер не знайшли свого остаточного експериментального і теоретичного розв'язання.

У другому підрозділі приведені оригінальні експериментальні результати досліджень провідності в базисній площині монокристалів YBaCuO з малими, до 5%, домішками алюмінію і празеодима із заданою топологією площинних дефектів, а також впливу перпендикулярного магнітного поля до 15 кЕ на надлишкову провідність монокристалів YBa₂Cu_3-yAl_yO_7-д. Показано, що внесення домішок Al і Pr приводить до зростання числа ефективних центрів розсіювання нормальних носіїв. Надлишкова провідність (Т) монокристалів YBaCuO, YBa₂Cu_3-yAl_yO_7-д і Y_1-zPr_zBa₂ Cu₃O_7- у широкому інтервалі температур підкоряється експоненціальній температурній залежності (див. рис. 9), а поблизу Т_с. задовільно описується теоретичною моделлю Асламазова-Ларкіна (вставка до рис. 9).

Допування монокристалів YBa₂Cu₃O_7-д малими домішками алюмінію і празеодима до 5% приводить до якісно різної зміни ходу температурних залежностей _ab(Т). Тоді як слабке (до z ? 0.05) допування празеодимом монокристалів YВaCuO сприяє значному зниженню температури Т*, яка відповідає відхиленню від лінійної залежності _ab(Т) (тобто звуженню температурного інтервалу реалізації ПЩ-стану в ab-площині), внесення домішки алюмінію при такій же концентрації приводить до зворотного ефекту розширення області існування ПЩ-режиму, тим самим звужуючи лінійну ділянку залежності _ab(Т).

У разі монокристалів YBa₂Cu_3-yAl_yO_7-д, на відміну від бездомішкових зразків YBa₂Cu₃O_7-д, вплив магнітного поля зводиться в основному до майже еквідистантного зміщення вниз по температурі резистивного переходу в надпровідний стан і слабкому його розширенню (рис. 10). При цьому критична температура монотонно знижується із зростанням магнітного поля, як це видно зі вставки до мал. 10.

, (9)

де (10)

флуктуаційна провідність Асламазова - Ларкіна [4];

(11)

флуктуаційна провідність Макі-Томпсона [6], зумовлена взаємодією неспарованих носіїв струму з флуктуаційними куперівськими парами; ; ; ; _ab(0) - довжина когерентності в базисній площині, а ф_ц - характерний термін збою параметра порядку. Решта позначень та ж, що і в (5), (6).

Поклавши _с(0) ? 2.4 Е, d ? 11.7 Е, ф_ц ? ћ/2k_BT_c, можна оцінити еволюцію відносного внеску кожної з складових у рівнянні (9) Д_AL/Д_МТ у міру віддалення вгору по температурі від точки переходу в надпровідний стан в нульовому магнітному полі, як це було запропоновано в [7]. Аналіз виразів (10) і (11) показує, що хоча в інтервалі температур Т_с<Т<1.25 Т_с компонента Д_МТ(Т, Н=0) в порівнянні з Д_AL(Т, Н=0) значно слабкіше залежить від температури, співвідношення Д_AL/Д_МТ зменшується більше ніж удвічі при зростанні температури від 1.005 Т_с до 1.25 Т_с Це, у свою чергу, може свідчити про значне зростання інтенсивності розсіювання куперівських пар нормальними носіями. Як показав аналіз, проведений на підставі виразів (9) - (11), докладання магнітного поля приводить до істотного звуження температурного інтервалу існування тривимірних надпровідних флуктуацій. Немонотонна залежність величини _с(0) від магнітного поля, ймовірно, пов'язана з пригніченням надлишкової флуктуаційної провідності у області слабких магнітних полів.

У восьмому розділі приведені результати вимірювань температурних залежностей анізотропії подовжньої і поперечної провідності монокристалів ReBa₂Cu₃O_7-д (Re = Y, Ho) з різним ступенем кисневої нестехіометрії. Стисло приведені основні концепції декількох найвідоміших теоретичних моделей, присвячених поясненню явища некогерентного електротранспорту у ВТНП. Експериментально показано, що в зразках ReBa₂Cu₃O_7-д (Re = Y, Ho) з дефіцитом кисню реалізується нерівномірний розподіл кисню в об'ємі кристала, яке приводить до утворення фаз з різними критичними температурами. Висунуто припущення про те, що зміщення вниз по температурі надпровідного переходу для компоненти опору с_с в порівнянні з с_ab може бути наслідком реалізації переходу Фріделя [8] в досліджуваних зразках.

Проаналізовано відповідність одержа-них експериментальних результатів з прогнозами різних теоретичних моделей. Показано, що абсолютні значення величин енергетичних щілин вздовж і поперек базисної площини змінюються з різними знаками похідних при варіюванні вмісту кисню. При зростанні Д_с величина псевдощілини Д*_ab зменшується і навпаки, що свідчить про пригнічення ПЩ-режиму при одночасному посиленні локалізаційних ефектів.

Встановлено, що на відміну від сполуки Y₁Ba₂Cu₃O_7-д, для випадку Но₁Ba₂Cu₃O_7-д температурна залежність анізотропії електроопору _с/ab(Т), добре описується за допомогою універсального «закону 1/2» [9]:

(12)

для термоактівационной стрибкової провідності (рис. 11).

У дев'ятому розділі досліджено вплив високого гідростатичного тиску до 11 кбар на провідність в ab-площині монокристалів Y₁Ba₂Cu₃O_7-д з різним вмістом кисню. Показано, що, на відміну від зразків стехіометричного складу, докладання високого тиску до монокристалів з дефіцитом кисню приводить до істотного зменшення довжини когерентності перпендикулярно ab-площині о_с(0) (рис. 12). У розділі акцентується увага на важливості розділення «істинного» і «релаксаційного» ефекту тиску. Був проведений порівняльний аналіз еволюції критичної температури і електроопору шаруватих монокристалічних сполук Y₁Ba₂Cu₃O_7-д і Nb_1-xSn_xSe₂ з близьким параметром анізотропії в умовах гідростатичного стискання. Зроблено висновок щодо визначальної ролі сингулярностей в спектрі двовимірних решіток при виникненні особливостей баричних залежностей критичної температури. Розглянута відповідність одержаних експериментальних результатів з існуючими теоретичними моделями.

При дослідженнях «релаксаційного» ефекту тиску виявлено істотну асиметрію ходу релаксації електроопору в процесі витримування зразка при кімнатній температурі після докладання-знімання тиску. Згідно [10], вираз для часової залежності електроопору дається виразом:

, (13)

де R(?) і R(0) - рівноважне і початкове значення електроопору, відповідно; ф - характерний час процесу релаксації. Розрахунки, проведені згідно (13), показали, що досягнення рівноважного значення R(?) після знімання тиску досягається значно швидше в порівнянні з випадком докладання тиску ф (6.3 кбар)/ф(0 кбар) ? 1.64, що може бути наслідком різниці дифузійного шляху в процесі індукованого тиском процесу утворення-розпаду кластерів різного розміру.

Згідно [11], величина критичної температури сполуки Y₁Ba₂Cu₃O_7-д пов'язана з кількістю дірок в площині CuO₂ посередництвом універсальної параболічної залежності:

, (14)

де Т_сmax - максимальна критична температура, а n_opt=0.25 - оптимальна кількість дірок на площину для цієї сполуки. Розрахунки, проведені з урахуванням цього співвідношення, показують, що із збільшенням тиску, в процесі витримування зразка при кімнатній температурі, число носіїв для низькотемпературної фази зменшується приблизно на 3-4%, тоді як для високотемпературної фази відбувається зворотний процес збільшення кількості дірок.

Таким чином, в розділі було встановлено, що індукований тиском перерозподіл лабільного кисню приводить до зміщення температурного інтервалу існування тривимірних надпровідних флуктуацій і дифузійного переносу лабільної компоненти з фази з меншою критичною температурою до високотемпературної фази, а також зміни величини енергії активації перенесення заряду.

Висновки

У дисертаційній роботі отримані важливі наукові результати, які в сукупності вирішують поставлену проблему щодо встановлення закономірностей флуктуаційного формування, часової і просторової еволюції підсистем заряджених і незаряджених бозонів в умовах структурної і кінематичної анізотропії в надплинному ⁴Не і ВТНП-сполуках системи 1-2-3. При виконанні поставлених експериментальних задач була розроблена і створена необхідна експериментальна база, що містить ряд оригінальних пристроїв і принципово нових експериментальних методик. Таким чином, розвинуто наукові основи нового напрямку фізики низьких температур - динаміка підсистем квазічастинкових збуджень в умовах структурної і кінематичної анізотропії.