Плотность состояний и дифференциальная туннельная проводимость . <...> Магнитный дальний порядок и его флуктуации . <...> . . . . . . . . . . . . 303 Список сокращений 1111 122 111 11 LDA LSDA LAPW DMFT FLEX Folded BZ соединения типа LaOFeAs соединения типа BaFe2As2 соединения типа LiFeAs соединения типа FeSe приближение локальной плотности приближение локальной спиновой плотности метод линеаризованныхприсоединенных плоских волн теория динамического среднего поля LDA+DMFT объединение LDA и DMFT RPA приближение хаотических фаз флуктационно-обменное взаимодействие приведенная зона Бриллюэна Unfolded BZ расширенная зона Бриллюэна SDW CDW NMR STS волна спиновой плотности волна зарядовой плотности ядерный магнитный резонанс PCAR PES ARPES RXES ZBC ВТСП ПП ФГ БКШ СКС сканирующая туннельная спектроскопия точечный контакт с андреевским отражением фотоэлектронная спектроскопия фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением резонансная рентгеновская эмиссионная спектроскопия zero-bias conductance высокотемпературная сверхпроводимость параметр порядка функция Грина теория Бардина–Купера–Шриффера сильно коррелированные системы Предисловие В течение полутора лет, прошедшихс момента открытия нового класса высокотемпературныхсверхпроводников (ВТСП) в FeAs-соединениях [1], усилиями мирового сообщества физиков, химиков и технологов достигнуты большие успехи в объяснении природы FeAs-соединений. <...> Первые три главы книги посвящены экспериментальным исследованиям всехклассов FeAs-соединений, в которых обнаружено сверхпроводящее состояние. <...> Ю.А.Изюмов, Э.З.Курмаев Введение Первое сообщение о сверхпроводимости в LaOFeAs появилось еще в 2006 г. [1], но с малой величиной Tc =3.5 K. <...> Прорыв произошел в феврале 2008 г., когда Камихара сообщил о сверхпроводимости с Tc =26 K в допированном фтором соединении LaO1−xFxFeAs [8]. <...> Вслед за этим несколько китайскихгрупп, заменяя La редкоземельными элементами, получили значительно более высокие значения Tc, а именно 41 KвCeO1−xFxFeAs [9], 52 K в PrO1−xFxFeAs [10] идостигли 55K вSmO1−xFxFeAs <...>
Высокотемпературные_сверхпроводники_на_основе_FeAs-соединений_(2-ое_изд.,_испр._и_доп._).pdf
УДК 538.945
ББК 22.368.2
И 398
Интернет-магазин
http://shop.rcd.ru
• физика
• математика
• биология
• нефтегаз о вые
т ехноло гии
Издание осуществлено при финансовой поддержке
Российского фонда фундаментальныхисследований
по проекту №10-02-07030.
ИзюмовЮ. А., Курмаев Э. З.
Высокотемпературные сверхпроводники на основе FeAs-соединений. —
2-е изд., испр. и доп. — М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика»,
Ижевский институт компьютерныхисследований, 2010. — 336 с.
Анализируются физические свойства и электронные модели нового класса высокотемпературныхсверхпроводников
в слоистых соединениях на основе железа.
Несмотря на различный химический состав и различие в кристаллической структуре,
они имеют похожие физические свойства, обусловленные электронными носителями
в FeAs-слояхи их взаимодействием с флуктуациями магнитного порядка.
Исключительный интерес к ним объясняется перспективами практического применения.
В монографии дается полная картина формирования ихфизических свойств
на основе теоретическихмоделей и электронной структуры.
Книга рассчитана на широкий круг читателей: физиков, изучающихэлектронные
свойства FeAs-соединений, химиков, синтезирующих эти соединения, и специалистов,
занимающихся расчетами электронной структуры твердых тел. Она будет
полезна не только исследователям, работающим в области сверхпроводимости
и магнетизма, но также студентам, аспирантам и всем тем, кто хочет ознакомиться
с этой актуальной областью физического материаловедения.
ISBN 978-5-93972-805-8
Ю.А.Изюмов, Э. З.Курмаев, 2010
c
c
НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010
http://shop.rcd.ru
http://ics.org.ru
ББК 22.368.2
Стр.2
Оглавление
Список сокращений .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 7
Предисловие . ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 8
Введение . . . ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 10
ГЛАВА 1. Соединения типа ReOFeAs .. .. ... .. .. ... .. 13
1.1. Кристаллохимия и основные физические свойства допированныхсоединений
.. ... .... .... .... ... .... 13
1.1.1. Кристаллическая структура . .... .... ... .... 13
1.1.2. Электронный допинг .... .... .... ... .... 14
1.1.3. Дырочное допирование ... .... .... ... .... 16
1.1.4. Замещения в подрешетке Fe .... .... ... .... 18
1.1.5. Температура сверхпроводящего перехода . ... .... 20
1.1.6. Критические поля . . .... .... .... ... .... 21
1.1.7. Влияние давления на Tc ... .... .... ... .... 24
1.2. Магнитные свойства . . ... .... .... .... ... .... 28
1.2.1. Магнитная структура .... .... .... ... .... 28
1.2.2. Теоретическое объяснение магнитного дальнего порядка
в ReOFeAs ... .... .... .... ... .... 31
1.2.3. Фазовые диаграммы . .... .... .... ... .... 36
1.2.4. Магнитные флуктуации ... .... .... ... .... 39
1.3. Электронная структура ... .... .... .... ... .... 40
1.3.1. Соединения стехиометрического состава . ... .... 40
1.3.2. Роль магнитного упорядочения и допинга . . . .... 46
1.3.3. Экспериментальное исследование поверхности Ферми 51
1.4. Симметрия сверхпроводящего параметра порядка... .... 55
1.4.1. Экспериментальные методы определения параметра
порядка . .... ... .... .... .... ... .... 55
1.4.2. Ядерный магнитный резонанс ... .... ... .... 56
1.4.3. Андреевское отражение в точечном контакте . . .... 60
1.4.4. Туннельная и фотоэмиссионная спектроскопия (STS,
PES, ARPES) . . ... .... .... .... ... .... 68
Стр.3
4ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 2. Cоединения типа AFe2As2 (A=Ba,Sr,Ca) . . . ... .. 71
2.1. Кристаллическая и электронная структура .... ... .... 71
2.1.1. Кристаллическая структура . .... .... ... .... 71
2.1.2. LDA-расчеты электронной структуры ... ... .... 72
2.1.3. Экспериментальные исследования поверхности Ферми 78
2.1.4. Соединение (Sr3Sc2O5)Fe2As2 и другие . . ... .... 85
2.2. Сверхпроводимость .. ... .... .... .... ... .... 89
2.2.1. Допирование .. ... .... .... .... ... .... 89
2.2.2. Сосуществование сверхпроводимости и магнетизма . . 95
2.2.3. Давление .... ... .... .... .... ... .... 97
2.2.4. Симметрия сверхпроводящего параметра порядка . . . 108
2.2.5. Измерения на джозефсоновскихконтактах ... .... 115
2.2.6. Критические поля . . .... .... .... ... .... 117
2.3. Магнетизм ... .... ... .... .... .... ... .... 120
2.3.1. Стехиометрические соединения .. .... ... .... 120
2.3.2. Допированные соединения . .... .... ... .... 124
2.3.3. Магнитные возбуждения .. .... .... ... .... 127
ГЛАВА 3. Другие FeAs-соединения ... .. ... .. .. ... .. 132
3.1. Соединения типа FeSe, FeTe .... .... .... ... .... 132
3.1.1. Сверхпроводящие свойства . .... .... ... .... 132
3.1.2. Необыкновенные магнитные свойства ... ... .... 135
3.1.3. Электронная структура стехиометрических соединений 139
3.1.4. Электронная структура допированныхсоединений . . 143
3.1.5. Магнитная структура FeTe . .... .... ... .... 145
3.2. Соединения типа LiFeAs .. .... .... .... ... .... 147
3.2.1. Сверхпроводимость . .... .... .... ... .... 147
3.2.2. Электронная структура ... .... .... ... .... 149
3.3. Соединения типа AFFeAs (A=Sr, Ca) ... .... ... .... 151
3.3.1. Основные экспериментальные факты ... ... .... 151
3.3.2. Электронная структура ... .... .... ... .... 154
ГЛАВА 4. Теоретические модели .. ... .. ... .. .. ... .. 156
4.1. Общие свойства соединений разныхклассов FeAs-систем
и задачи теории .... ... .... .... .... ... .... 156
4.1.1. Кристаллическая и магнитная структура . ... .... 156
4.1.2. Особенности электронной структуры ... ... .... 159
4.1.3. Асимметрия электрон-дырочного допирования . .... 160
4.1.4. Проблемы симметрии сверхпроводящего параметра
порядка . .... ... .... .... .... ... .... 163
4.1.5. Изотопический эффект ... .... .... ... .... 165
Стр.4
ОГЛАВЛЕНИЕ
5
4.2. Роль электронныхкорреляций . . . .... .... ... .... 167
4.2.1. Метод динамического среднего поля (DMFT) . .... 167
4.2.2. LDA+DMFT-расчет для соединений ReOFeAs ... 171
4.2.3. LDA+DMFT-расчет в расширенном базисе . .... 175
4.2.4. Сравнение с экспериментом .... .... ... .... 180
4.3. Минимальная двухорбитальная модель . . .... ... .... 187
4.3.1. Формулировка модели .... .... .... ... .... 187
4.3.2. Зонная структура спектра . . .... .... ... .... 191
4.3.3. Приближение среднего поля .... .... ... .... 193
4.3.4. Численный расчет малыхкластеров .... ... .... 196
4.4. Мультиорбитальная модель . .... .... .... ... .... 199
4.4.1. Формулировка модели .... .... .... ... .... 199
4.4.2. Уравнения для сверхпроводника в приближении обменныхфлуктуаций
(FLEX) ... .... ... .... 200
4.4.3. Свойства сверхпроводников с s±-симметрией параметра
порядка . ... .... .... .... ... .... 204
4.4.4. Трехорбитальная модель .. .... .... ... .... 209
4.5. Детальный анализ 5-орбитальной модели . .... ... .... 213
4.5.1. Гамильтониан модели.... .... .... ... .... 213
4.5.2. Спиновая и зарядовая восприимчивости . . . . .... 215
4.5.3. Спаривание электронов через спиновые флуктуации . 219
4.5.4. Возможные симметрии сверхпроводящего параметра
порядка . .... ... .... .... .... ... .... 222
4.6. Предел слабого кулоновского взаимодействия . . ... .... 227
4.6.1. Ренорм-групповой анализ . . .... .... ... .... 227
4.6.2. Уравнения для сверхпроводящих и магнитных параметров
порядка ... .... .... .... ... .... 236
4.6.3. Фазовая диаграмма модели . .... .... ... .... 240
4.6.4. Особенности s±-сверхпроводящего состояния . .... 242
4.7. Предел сильного кулоновского взаимодействия . ... .... 245
4.7.1. t–J1–J2-модель . ... .... .... .... ... .... 245
4.7.2. Сверхпроводимость с различными параметрами порядка
. . .... ... .... .... .... ... .... 247
4.7.3. Плотность состояний и дифференциальная туннельная
проводимость .. .... .... .... ... .... 250
4.7.4. Модель Хаббарда с хундовским обменом . ... .... 253
4.8. Магнитный дальний порядок и его флуктуации . ... .... 257
4.8.1. Два подхода к проблеме ... .... .... ... .... 257
4.8.2. Коллективизированная модель ... .... ... .... 260
4.8.3. Локализованная модель. Спиновые волны . . . .... 265
Стр.5
6ОГЛАВЛЕНИЕ
4.8.4. Резонансная мода . . .... .... .... ... .... 270
4.8.5. Объединенные модели ... .... .... ... .... 278
4.8.6. FeAs-соединения — системы с умеренными электронными
корреляциями . .... .... .... ... .... 283
4.9. Орбитальное упорядочение . .... .... .... ... .... 286
4.9.1. Спин-орбитальная модель . .... .... ... .... 286
4.9.2. Фазовые диаграммы со спиновым и орбитальным
упорядочением . ... .... .... .... ... .... 289
4.9.3. Спектр магнитныхвозбуждений .. .... ... .... 291
Заключение .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 294
Таблицы . . . ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 298
Литература .. ... .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... .. 303
Стр.6