Сверхпроводники

ВТСП проистекают, по-видимому, из коррелированного движения электронной

жидкости в пределах слоев CuO2. Специфические особенности этого движения

формируются при температуре, превышающей температуру сверхпроводящего

перехода Tc, и "оставляют свои следы" на поверхности Ферми.

Единственный, известный на сегодня надежный способ экспериментального

определения параметров поверхности Ферми в ВТСП - это фотоэмиссионная

спектроскопия с угловым разрешением. Когда высокоэнергетичный фотон

рассеивается на исследуемом образце, он "выселяет" электрон из занятого им

состояния, в результате чего в электронной жидкости образуется "дырка".

Анализ интенсивности выбитых электронов дает информацию об изначальном

распределении электронов по энергии и импульсу. Этим методом было

установлено, что в ВТСП с оптимальным уровнем допирования (то есть с такой

концентрацией носителей заряда, при которой Tc конкретной системы

максимальна) двумерная поверхность Ферми имеет форму квадрата со

скругленными краями [1,2].

По-другому обстоят дела в “underdoped” ВТСП, где уровень допирования

(концентрация носителей) ниже оптимальной величины. Если при температуре

выше некоторой температуры T*>Tc также наблюдается "квадратоподобная"

поверхность Ферми, то понижение температуры ниже T* ведет к появлению в

плотности электронных состояний на уровне Ферми так называемой

"псевдощели", то есть, число электронов на поверхности Ферми резко

уменьшается. При дальнейшем охлаждении образца до Tc происходит переход в

сверхпроводящее состояние, то еcть на поверхности Ферми возникает не псевдо-

, а сверхпроводящая щель. Пока не понятно, связано ли наличие псевдощели со

сверхпроводящими корреляциями электронов, которые развиваются еще в

нормальном состоянии, или же псевдощель имеет другое происхождение

(например, она может быть обусловлена спиновыми корреляциями в соседних

слоях CuO2).

В недавней работе [3] большого коллектива американских, индийских и

японских физиков (Argonne National Laboratory, University of Illinois at

Chicago; Tata Institute of Fundamental Research; Tohoku University, Nagoya

University, National Research Institute for Metals, University of Tsukuba)

была детально промерена поверхность Ферми "under-doped" монокристалла ВТСП

Bi2Sr2CaCu2O8+d с Tc=85К. Выяснилось, что формирование псевдощели ведет к

"разрыву" поверхности Ферми. А происходит это так. Псевдощель при T*=180K

возникает первоначально в четырех точках поверхности Ферми, которые

находятся в центрах сторон "скругленного квадрата". При этом непрерывность

поверхности Ферми оказывается нарушенной. По мере понижения температуры

псевдощель "расползается" по направлению к скругленным углам (дугам).

Поверхность Ферми при этом представляет собой четыре не связанные друг с

другом дуги, размеры которых по мере охлаждения уменьшаются (но форма дуг

при этом не изменяется!). Полностью дуги исчезают лишь при T=Tc. При

температуре ниже Tc на поверхности Ферми имеется сверхпроводящая щель. Но

не на всей поверхности Ферми. Дело в том, что сверхпроводящая щель сильно

анизотропна и равна нулю в четырех точках поверхности Ферми. Интересно, что

это именно те точки, в которых "схлопнулись" четыре дуги при подходе к Tc

"сверху"!

Аналогичные результаты были получены и для другого "underdoped" образца с

Tc=77К. А вот в "overdoped" монокристаллах с Tc=82 и 87К, у которых

концентрация носителей выше оптимальной, псевдощели при T>Tc обнаружено не

было. По-видимому, между псевдощелью и сверхпроводящей щелью в ВТСП имеется

какая-то связь, которая может оказаться весьма нетривиальной, как

нетривиальна и необычная (зависящая от температуры) анизотропия псевдощели.

Не исключено, что в нормальном состоянии ВТСП присутствуют виртуальные

электронные пары, время жизни которых t связано с неопределенностью их

энергии связи D e соотношением t D e ~h [4]. Когда величина D e становится

сравнима со сверхпроводящей щелью в определенной точке поверхности Ферми,

то в этой точке "открывается" псевдощель.

Как бы то ни было, приведенные в [3] результаты позволяют примирить большое

количество имеющихся в литературе противоречивых данных, полученных при

исследовании псевдощели различными методами. Действительно, поскольку

псевдощель сильно анизотропна в импульсном пространстве, то температурная

зависимость конкретной физической величины (электрической проводимости,

удельной теплоемкости, туннельного тока и т.д.) определяется конкретной

зависимостью соответствующего матричного элемента от импульса, а эти

матричные элементы для разных физических величин могут существенно

различаться.

В электронном Банке препринтов уже появились первые теоретические работы [5-

7], посвященные объяснению данных работы [3] и формулировке соответствующих

моделей.