>
preprint.
(тексты обоих препринтов могут быть получены по запросу у M.Onellion; e-
mail: onellion@comb.physics.wisc.edu).
Сверхпроводниковый накопитель для комфортного бомоубежища от Intermagnetics
Intermagnetics General Corp. поставила и установила сверхпроводящую
магнитную накопительную систему мощностью 6МДж (6MJ microSMES) на базе ВВС
США в Tyndall (Florida). Cистема IPQ-750TM включает также рефрижератор
(сryocooler), ВТСП токовводы, мощную электронику с коммерческой системой
бесперебойного питания (UPS). Накопитель интегрирован в автономный комплекс
передвижного бомбоубежища (“Mobile/Relo-catable Shelter”) и рассчитан на
бесперебойную работу в течение 24 часов в сутки. Компактное бомбоубежище
имеет размеры 16 x 2.8 x 2.8м3.
ВВС США является лидером в продвижении накопителей в военную технику. На
сегодня, кроме Intermagnetics, коммерческие накопители изготавливает и
устанавливает American Superconductor.
"Разрушение" поверхности Ферми в высокотемпературных сверхпроводниках с
низким уровнем допирования
Электроны являются фермионами, поэтому ни одно квантовое состояние не может
быть занято сразу двумя электронами (принцип Паули). Это, собственно, и
приводит к разнообразию свойств индивидуальных атомов в Периодической
Таблице. Что касается больших атомных систем, то именно в силу принципа
Паули электроны не "сваливаются" в одно состояние с минимальной энергией, а
однородно распределяются по импульсному пространству, занимая состояния с
энергиями, не превышающими некоторую минимальную энергию, которая
называется энергией Ферми. Таким образом, электроны как бы формируют в
импульсном пространстве (в периодических системах - в зоне Бриллюэна) некое
подобие "капли". Энергия электронных состояний на поверхности этой "капли"
(поверхности Ферми) равна энергии Ферми. Деформация и колебания поверхности
Ферми определяют коллективные свойства металлов.
ВТСП, открытые 12 лет назад, представляют собой качественно новый тип
металлов: перемещение электронов в ВТСП ограничено проводящими слоями CuO2;
в направлении, перпендикулярном этим слоям, проводимость очень низкая, а
зона Бриллюэна является практически двумерной. Многие необычные свойства
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
завис
