Важнейшие результаты 1997 г.

В последние годы работы по высокотемпературной сверхпроводимости, проводимые в лаборатории, сосредоточились на двух основных направлениях.
Первое направление – это  поиск экспериментальных свидетельств взаимосвязи между полосовыми (страйп) корреляциями  и сверхпроводимостью в ВТСП купратах. Эта тематика важна для развития теории высокотемпературной сверхпроводимости. В частности, в последнее время появился ряд экспериментальных работ о возможном сосуществовании сверхпроводимости и магнитного полосового порядка в низкотемпературной тетрагональной (НТТ) структурной фазе допированного неодимом La2-xSrxCuO4. 

С целью проверки данного предположения методом ЭПР на спиновых метках Gd нами были проведены экспериментальные исследования спиновой динамики в медь-кислородных плоскостях допированного европием La2-xSrxCuO4 в широкой области изменения концентрации редкой земли (РЗ) и стронция. Методология данного исследования определялась двумя важными надежно установленными фактами:

i) допирование РЗ и Sr определяет направление и амплитуду разворота Cu-O октаэдров и контролирует появление сверхпроводимости в НТТ фазе La2-xSrxCuO4 - так называемый критический разворот октаэдров

ii) между внедряемыми в исследуемое соединение в качестве спиновых меток ионами Gd и спинами меди в CuO2-плоскостях существует небольшая обменная связь, и спиновая релаксация ионов Gd определяется магнитными возбуждениями в медь-кислородных плоскостях [1].

Анализ температурных зависимостей спектров ЭПР Gd в La2-x-ySrxEuyCuO4 позволил установить следующее [2]. При уровнях допирования Eu (y>0.15), достаточных для стабилизации НТТ фазы при T<TНТТ ~ 130K, частота флуктуаций спинов меди существенно замедляется с понижением температуры вплоть до 1011-1010 сек-1, указывая на сильную тенденцию к магнитному упорядочению системы. Степень критического замедления флуктуаций немонотонным образом зависит от содержания стронция (т.е. от концентрации дырочных носителей тока в Cu-O плоскостях). Она максимальна при x~0.12. Заметим, что именно такая концентрация дырок оказалась наиболее благоприятной для статического полосового магнитного упорядочения, наблюденного в кристаллах La2-xSrxCuO4, допированных Nd (J.M.Tranquada et al., Nature 375, 561 (1995). (Именно при такой концентрации дырок нами были также обнаружены аномалии термо э.д.с. и сопротивления, свидетельствующие об аномальной проводимости вдоль одномерных заряженных доменных границ). 

С целью установления структуры страйп-фазы, анализа зависимости ее объема от уровня допирования дырками, выяснения характера ее пиннинга, определения величины магнитных моментов в полосовых доменах были выполнены исследования ЯКР на ядрах меди в соединениях (La-Eu)2-xSrxCuO4 при фиксированном содержании Eu=0.17 и различном уровне допирования Sr от 0 до 0.30. Существенно, что в области значений 0.07<x<0.020 вещество находится в НТТ фазе, в которой отсутствует объемная сверхпроводимость.

В результате проведенных исследований удалось показать, что корреляция между зарядами и спинами существенно зависит от уровня допирования металлоксидов носителями тока:
a) при средних уровнях дырочного допирования (0.08< x <0.18) в НТТ   фазе обнаружена структура спектров ЯКР меди, соответствующая наличию неэквивалентных узлов меди в CuO2 плоскости, причем некоторые имеют ненулевой магнитный момент. Это свидетельствует о сочетании  неоднородного распределения зарядовой плотности с локальным  антиферромагнитным порядком -  страйп-фазе (аналогичные выводы следуют из особенностей спектров ЯКР на ядрах лантана, наблюденных  нами в La2-xSrxCuO4, допированных европием или неодимом). Статический  характер подобной структуры обусловлен ее пиннингом на  характерных для НТТ фазы неоднородностях CuO2 плоскостей.   Объем запиннингованной страйп -фазы весьма чувствителен к  уровню дырочного допирования и в окрестности x=1/8  возрастает больше, чем на порядок. Это демонстрирует важность эффектов соразмерности при пиннинге и указывает на плоский характер распределения магнитной и зарядовой плотности [3].
Плоские структуры, образующиеся в статическом пределе, соответствуют заряженным доменным границам конечной толщины и антиферромагнитным моментам с величиной порядка 0.25-0.30 mB магнетонов Бора. Наши  данные [3], [4] позволяют говорить о нескольких типах возможных структур: i) центрированные на узлах заряженные границы,  разделенные параллельными им тремя антиферромагнитными спиновыми цепочками (трехногими спиновыми лестницами); ii) заряженные границы, центрированные на Cu-Cu связях и представляющие собой сдвоенные цепочки CuO, разделенные между собой лишь двумя антиферромагнитными цепочками (двухногими спиновыми лестницами) и другие.
b) обнаружено, что с ростом допирования (при  x >0.18), когда искажения CuO2  плоскости (развороты СuO6 октаэдров) становятся меньше определенного критического значения, происходит депиннинг   страйп-фазы и соединение переходит в состояние с обычной объемной сверхпроводимостью.

 Исследована кинетика зарядового и спинового упорядочения в страйп-фазу соединений  НТТ симметрии. Продемонстрировано, что стабилизация зарядовых и спиновых возбуждений происходит поэтапно. Для анализа зарядовых и спиновых флуктуаций использована высокая чувствительность сигнала ядерного спинового эхо к скорости магнитных флуктуаций. При каждой конкретной температуре можно выделить зоны быстрых и медленных флуктуаций и разделяющую их щель, соответствующую настолько быстрому спаду сигнала ядерного спинового эхо, что регистрация импульсного ЯМР становится невозможной. В условиях, когда  зависящее от температуры распределение частот магнитных флуктуаций попадает в эту щель, происходит подавление наблюдаемого  сигнала ЯМР. Поэтому поведение относительной амплитуды сигнала ЯМР (пропорциональной числу ядер, участвующих в наблюдаемом резонансе) способно дать ценную информацию о распределении флуктуационных частот [5].

Измерения показали, что при понижении температуры в диапазоне от 70 К до 40 К происходит полное подавление резонанса на ядрах меди. В диапазоне от 35 К до 10 К имеет место впервые наблюденное нами подавление ЯМР на ядрах лантана для всех трех наблюдаемых переходов. При дальнейшем понижении температуры происходит восстановление амплитуды наблюдаемого сигнала, которое связанно с выходом  замедляющихся магнитных флуктуаций из диапазона частот, сответствующих подавлению ЯМР.  Эти особенности позволяют оценить ширину распределения флуктуационных частот. 

Анализ  ядерной спиновой релаксации в соединениях со страйп-структурой показал, что в широком температурном диапазоне время жизни флуктуаций намагниченности подчиняется  термоактивационному  закону, причем величина спиновой жесткости, определяющей энергию активации (~150-200 K), на порядок меньше, чем в недопированном магнетике La2CuO4.  Это связано с ослаблением спинового обмена в CuO2 плоскости в направлении перпендикулярном к  заряженным доменным границам и свидетельствует о том, что страйп соединения гораздо ближе к квантовой критической точке.

Установлено, что переход в страйп-фазу имеет спин-стекольный характер, связанный с пространственно неоднородным распределением частоты флуктуаций по образцу. По  температурной зависимости амплитуды ЯМР и времен ядерной спиновой релаксации определена соответствующая величина разброса  энергий  активации (~15%). Заметим, что характерные времена жизни магнитных флуктуаций в соединениях, где НТТ фаза индуцирована допированием Nd, почти на порядок длиннее, чем в соединениях, допированных Еu. Это обусловливает  различную степень пиннинга  страйп-структуры и приводит к разнице в скоростях ядерной спиновой релаксации. Особенности  страйп-фазы в лантан-бариевых соединениях и в металлоксидах с электронным типом проводимости обсуждены соответственно в публикациях [6] и [7].

 Второе направление связано с изучением структуры магнитного потока и динамики вихревой системы ВТСП материалов, определением влияния на них размерных и внешних факторов. В рамках этих исследований решались следующие задачи:
1.Нахождение распределения поля в сверхпроводнике.
2.Исследование эволюции магнитного потока при ослаблении объемного пиннинга.
3.Определение состояния вихревой системы и режимов пиннинга вихрей в различных экспериментальных условиях, а также влияния слоистого строения на вихревую динамику.
4.Изучение размерных эффектов и влияния концентрации колончатых дефектов на объемный и поверхностный пиннинг в тонких пленках  Bi2Sr2CaCu2O8, облученных пучками ионов тяжелых элементов.

Эти задачи, решались с использованием методов, основанных на поглощении энергии высокочастотного поля, как резонансном (ЭПР), так и нерезонансном (МВП - нерезонансное микроволновое поглощение). Для определения профиля магнитного потока в сверхпроводнике, использовался разработанный Ю.И.Талановым и Р.И.Хасановым  метод подвижного поверхностного спинового зонда [8]. Для исследования вихревой динамики применялись несколько методик, основанных на измерении различных характеристик нерезонансного микроволнового поглощения и на эволюции сигнала ЭПР поверхностного парамагнитного слоя.

Основные результаты исследований:
1. С помощью подвижного спинового зонда: (а) получено распределение магнитного поля в плоских сверхпроводниках II рода при перпендикулярной ориентации внешнего поля, как в условиях объемного пиннинга вихрей [8], так и при захвате магнитного потока поверхностным или краевым барьером [9];  (б) изучено влияние магнитной предыстории и транспортного тока на профиль магнитного потока.
2.На основе данных, полученных при измерениях профиля магнитного потока и гистерезисного микроволнового поглощения, построена фазовая диаграмма вихревой материи в высокотемпературных сверхпроводниках YBa2Cu3Ox и Bi2Sr2CaCu2O8. В кристаллах YBa2Cu3Ox обнаружен переход от пиннинга одиночных вихрей к коллективному пиннингу при повышении температуры и магнитного поля.  Показано, что слоистостое строение соединения Bi2Sr2CaCu2O8  приводит к режиму двумерного коллективного крипа [10]. 
3.В тонких пленках Bi2Sr2CaCu2O8 с большой концентрацией колончатых дефектов, образовавшихся в результате облучения пленок в пучке ионов урана, обнаружено аномальное уменьшение плотности критического тока, которое обусловлено ослаблением объемного пиннинга из-за малых расстояний между дефектами и влиянием поверхностного слоя. 

Литература:

1. Kataev V.  et al. Phys.Rev. B 55, R3394 (1997)
2. Kataev V., B.Rameev et al. Phys. Rev.B 58, R11876, (1998)
3. Teitel’baum G. B. et al. Phys.Rev.Lett. 84, 2949 (2000)
4. Teitel'baum G. B. et al.  Physica C,  341-348,  1755 (2000)
5. Teitel’baum G.B. et al.  Phys.Rev. B,     63, 020507 (R)  (2001)
6. Vavilova E.  Physica B,  280 p.205 (2000)  
7  Brom H International Journal of Modern Physics B,  14,  3368   (2000)
8. Khasanov R.I., Talanov Yu.I. et al., Physics C 242, 333  (1995)
9. Khasanov R.I., Talanov Yu.I. et al. Phys.Rev.B 54, 13339 (1996)
10. Talanov Yu.I., Shaposhnikova T.S. et al. Physica C 282, 2159 (1997).