Письма в ЖЭТФ, том 93, вып. 12, с. 818-825
© 2011 г. 25 июня
Двухзонный механизм сверхпроводимости БКШ в высокотемпературном сверхпроводнике Ba(Feo.9Co0.i)2As2
, А. Е. Каракозов*, А. А. ВоронковАП, Б. П. ГоршуновАП1\ С. С. ЖуковО, Е. С. Жукова' . В.С.НоздринА, S.Haindlv, B.HolzapfeF, L.Schultzv, D. Wu§, M.Dressefi, K.Iidav, P.KallinaF.Kurthv
+ Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991 Москва, Россия *Учреждение Российской академии наук Институт физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина РАН, 142190 Троицк, Россия Л Учреждение Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия 0 Московский физико-технический институт (Государственный университет), 141700 Долгопрудный, Россия О Волгоградский государственный технический университет, 400131 Волгоград, Россия vIFW Dresden, Institute for Metallic Materials, Р. O. Box 270116, 01171 Dresden, Germany § Physikalisches Institut, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 57, 70550 Stuttgart, Germanу Поступила в редакцию 13 мая 2011 г.
Выполнен анализ терагерцовых и инфракрасных спектров проводимости <т(v) и диэлектрической проницаемости e{v) пленочного образца Ba(Feo.oCoo.i)2As2 (Тс = 20 К) совместно с литературными данными по теплоемкости и фотоэлектронной эмиссии с угловым разрешением. Показано, что в сверхпроводящей фазе при Т = 5К спектры <т(v) и e{v) Ba(Feo.oCoo.i)2As2, а также глубина проникновения магнитного поля хорошо описываются в рамках стандартной однозонной модели БКШ при аддитивном вкладе электронных и дырочных зон. Установлено, что экспериментальная температурная зависимость глубины проникновения магнитного поля в широком интервале температур, 5 К < Т < Тс, может быть описана лишь при введении в рассмотрение межзонного спаривательного взаимодействия. С применением модели двухзонной сверхпроводимости, разработанной ранее для MgB2, определены константа связи электронной и дырочной зон, Ai,2 = 0.1, а также температурные зависимости сверхпроводящих щелей в электронной и дырочной подсистемах.
Е. Г. Максимов
1. Введение. Несмотря на относительно невысокие по сравнению с купратами критические температуры железосодержащих высокотемпературных сверхпроводников (максимум 55-57К), их открытие [1] замечательно в том отношении, что оно нарушает более чем двадцатилетнюю "купратную монополию" на высокотемпературную сверхпроводимость. Как и в самом начале эры купратов, с целью пролить свет на механизмы сверхпроводимости и проводимости в этом новом семействе сверхпроводящих соединений масса усилий (и теоретиков, и экспериментаторов) направлена сейчас на получение надежной информации о наиболее фундаментальных их характеристиках, таких, как величина и количество сверхпроводящих (СП) щелей в различных зонах, симметрия параметров порядка, тип агента, "склеивающего" носители тока в куперовские пары (фононы, магноны и т.д.), температурная зависимость глубины проникновения магнитного поля и, соответственно, плотности сверхпроводящего конденсата. В отличие от "одно-
Ч e-mail: gorshuiioveran.gpi.ru
зонных" купратов, БКШ-сверхпроводников и "двух-зонного" МёВ2 в Ге-сверхпроводниках уровень Ферми пересекают по крайней мере пять различных зон, вносящих свой вклад в проводящие и сверхпроводящие свойства [2]. Анализ физических свойств таких многозонных сверхпроводников оказывается весьма сложным. Возможно, с такой "многозонностью" связан довольно большой разброс в экспериментальных значениях характеристик данных систем [3]. Пока нет полного согласия и в отношении типа симметрии СП-параметра порядка в них. Одна из наиболее обсуждаемых моделей сверхпроводимости рассматривает вариант, когда электронные и дырочные зоны характеризуются параметрами порядка в-типа с фазами противоположного знака. Это так называемая модель с симметрией СП-параметра порядка [4]. В эксперименте же регистрируются СП-щели в каждой из зон, как симметричные, я-типа [5], так и с полюсами на поверхности Ферми, в которых фаза параметра порядка меняет знак, т.е. (¿-типа [6]. В отношении механизма электронного спаривания, несмот-
ря на присутствие значительного изотоп-эффекта [7], большинство авторов все же полагают более вероятным, что формирование куперовских пар происходит не за счет фононов, а за счет магнитных возбуждений.
Экспериментаторы уделяют большое внимание изучению соединений на основе ВаГегАвг, поскольку на практике образцы именно таких составов с достаточно большими размерами и достаточно высокого качества удается относительно легко получать. Замена Ва на щелочные металлы (например, К) приводит к легированию системы дырками, а Ге на Со и № - электронами. Электронная структура этих соединений [8] состоит по крайней мере из двух дырочных зон, центрированных возле центра зоны Бриллюэна (точка Г), и двух электронных зон вблизи точки X (0,+ —7г). Предполагается также [9], что вблизи точки X может существовать дополнительная дырочная зона, чье присутствие на поверхности Ферми критически зависит от структурных деталей системы.
К настоящему времени выполнено довольно большое количество оптических исследований железосодержащих сверхпроводников, главным образом основанных на измерении инфракрасных (ИК) спектров отражения Щр) на Фурье-спектрометрах. И хотя переход в СП-фазу в спектрах проявляется довольно отчетливо, получаемые данные о важных количественных характеристиках СП-состояния (такие, как, например, величины СП-щелей, их количество) часто оказываются неоднозначными и даже противоречивыми. Одна из причин этого состоит в относительно малом энергетическом масштабе квТс < 5мэВ, определяемом величиной критической температуры Ге-сверхпроводников, Тс < 55 К (кв - постоянная Больцмана). Такие энергии отвечают частотам V к, к, 40 см-1 и ниже, где Фурье-спектрометры существенно ограничены в своих возможностях, в особенности при измерении сверхпроводников, у которых коэффициент отражения Л может достигать весьма близких к 100% величин (см., например, [10,11] и вставку к рис. 1а). Это в высшей степени осложняет как само количественное измерение столь высоких значений Щ так и стандартный для Фурье-спектроскопии анализ спектров Щу) с применением соотношений Крамерса-Кронига. Адекватным для измерений в упомянутой области частот является метод терагерцовой (ТГц) ЛОВ-спектроскопии [12] (ЛОВ - лампа обратной волны). Он позволяет выполнять надежные количественные измерения спектров диэлектрических характеристик сверхпроводников в интервале V = 1—50см-1 [13].
1
E (meV) 10 100 1000
1.0
g 0.8
'о Й
Ъ 0.6
о о
Й
•2 0.4
о
U
53
« 0.2 04
I I I I М|-1-1 I I I III |-1-1 I I I III |-1-1 I I I III |-1-г
5 K
Ba(Fe09Co01)2As2
0
^ 12 7е
о
'а 8 0
Ж 4
13
е
o C
0
- 1.0
0.96 0.92 0.88
3 10 100 300 T (K)
........I..........I..........I........I_I_L
........I........I_L
Electrons+holes
transitions
I 11
3 101
10
10
10
Wavenumber (cm )
Рис. 1. (a) Спектры коэффициента отражения пленки Ba(Feo.eCoo.i)2As2 на подложке (La,Sr)(Al,Ta)Os в нормальной (Т = 30 К, открытые точки) и сверхпроводящей (Т = 5 К, черные точки) фазах [14]. Серыми линиями показаны результаты обработки спектров с применением формулы для коэффициента отражения двухслойной системы, выражений (1), (2) для Т = 30 К и (1), (2) совместно с формулами диэлектрического отклика в рамках модели БКШ [20] (см. [13] и текст). На вставке показаны температурные зависимости коэффициента отражения пленки на подложке (черные точки) и массивного материала Ba(Feo.eCoo.i)2As2 (светлые точки), рассчитанные для частоты 5 см 1 на основе измеренных значений проводимости и диэлектрической проницаемости. (Ь) Спектр проводимости Ba(Feo.eCoo.i)2As2 при Т = 30 К (толстая линия), полученный обработкой спектра коэффициента отражения, представленного на панели (а). Тонкие точечные линии - вклады свободных носителей заряда (электронов и дырок) (holes А, holes В [15]), пунктирные - вклады резонансных поглощений
С применением ЛОВ-спектрометра нами были выполнены прямые измерения спектров проводимости и диэлектрической проницаемости тонкопленочного образца Ba(Feo.9Coo.i)2As2 на частотах от 4 до 45 см-1. Эти результаты представлены в нашей предыдущей работе [14]. Они получены для пленки со-
става Ва(Гео.вСоолЬАвг (толщина 90нм, Тс = 20К), выращенной на подложке (Ьа,8г)(А1,Та)Оз. Измерения на ЛОВ-спектрометре были дополнены измерениями на Фурье-спектрометре (20-15000см-1) и на оптическом эллипсометре (6000-35000см-1). Данные, полученные на трех спектрометрах, анализировались совместно. Конечным продуктом анализа являлись широкодиапазонные спектры проводимости и диэлектрической проницаемости Ва(Гео.вСоолЬАвг-В [14] нами напрямую наблюдались энергетическая щель 2До = (3.7 ±0.3) мэВ и значительное "подщеле-вое" поглощение электромагнитного излучения. Кроме того, мы определили глубину проникновения магнитного поля А0 = 3600 А. В [14] нами были описаны главным образом экспериментальные результаты. В настоящем сообщении мы представляем детальный теоретический анализ приведенных в этой работе спектров проводимости и диэлектрической проницаемости Ва(Гео.вСоолЬАвг как в нормальной, так и в СП-фазе, а также температурной зависимости глубины проникновения магнитного поля.
2. Нормальное состояние. На рис. 1а представлен спектр коэффициента отражения Щи) пленки Ва(Гео.вСоолЬАвг на подложке, измеренный в нормальной и в СП-фазе [14]. Значительное возрастание Щи) в СП-состоянии ниже и 40 см-1 обусловлено открытием СП-щели (см. ниже). Модельная обработка ИК-спектров Щи) пленки Ва(Гео.вСоолЬАвг на подложке совместно с данными по прямым измерениям ТГц-спектров а(и) и е{и) пленки позволяет получить широкодиапазонные спектры проводимости и диэлектрической проницаемости Ва(Гео.вСоолЬАвг [14]. При обработке использовались модель Лорент-циана для резонансных поглощений (межзонные переходы в пленке, фононы в подложке) и модель проводимости Друде для описания отклика делокализован-ных носителей заряда в пленке. В модели Лорентци-ана комплексная проводимость записывается в виде
wy
(1)
где Де - диэлектрический
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.