КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-12-10507

НазваниеПрирода сверхпроводимости в многощелевых квазидвумерных высокотемпературных сверхпроводниках на основе железа: анизотропия сверхпроводящей щели и механизм спаривания.

РуководительСадаков Андрей Владимирович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-209 - Низкие температуры и сверхпроводимость

Ключевые словавысокотемпературная сверхпроводимость, многощелевая сверхпроводимость, эффект Джозефсона, туннельная спектроскопия, второе критическое поле, андреевская спектроскопия, пниктиды, железосодержащие сверхпроводники

Код ГРНТИ29.19.29


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Одной из главных тем в физике твердого тела является неклассическая сверхпроводимость в сильно-коррелированных системах. Симметрия параметра порядка считается ключевым моментом в понимании механизма сверхпроводимости в этих системах. В железосодержащих сверхпроводниках эти вопросы являются до сих пор актуальными. Нет единого мнения о механизме сверхпроводимости, количестве щелей и типе симметрии параметра порядка. Прежде всего, требуется понять, какой тип симметрии реализуется в тех или иных системах: s++, s+- или d, а также определить, имеет ли место т.н. кроссовер от s-типа к d-типу в зависимости от уровня допирования и беспорядка в системе. Достоверные, высокоточные экспериментальные данные, всесторонне характеризующие исследуемые материалы, помогут пролить свет на механизмы сверхпроводимости железосодержащих пниктидов и халькогенидов с целью поиска новых высокотемпературных сверхпроводников. Задачей данного проекта является тщательное комплексное исследование одних и тех же образцов различными методиками, анализ и сопоставление полученных результатов для понимания полной картины высокотемпературной сверхпроводимости на основе железа.

Ожидаемые результаты
Определена величина, структура, температурное поведение и степень анизотропии сверхпроводящей щели в монокристаллах железосодержащих сверхпроводников классов 11 и 122. Сделаны выводы о типе симметрии параметра порядка, и дан ответ на вопрос, имеет ли место изменение типа симметрии щели (от s к d) при разном уровне допирования и беспорядка в системе. Достоверность данных и выводов будет подтверждена несколькими методиками (спектроскопия многократных андреевских отражений, инфракрасная и туннельная спектроскопия, измерения лондоновской глубины проникновения, теплоемкости, измерения второго критического поля и теплоемкости с угловым разрешением в магнитном поле). Предлагаемое всестороннее исследование - семью различными методиками - уникально: работа подобного масштаба будет проведена впервые в мировой практике изучения железосодержащих сверхпроводников. Комплексный подход к проблеме позволит получить пионерские результаты, качество и достоверность которых, безусловно, превзойдет мировой уровень.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1. Наши данные (полученные пятью экспериментальными техниками в наших экспериментах) подтверждают отсутствие точек нулей (nodes) в угловом распределении большой щели в kxky-плоскости для оптимально допированных Ba(K)Fe2As2 с TC = 34–36.5 К и BaFe(Ni)2As2 c TC ≈ 18 К. 2. Характеристическое отношение 2ΔL/kBTC ≈ 4.5–7.2, существенно превышающее БКШ-предел 3.5, является следствием сильной связи в «ведущих зонах»; для малой щели малость отношения 2ΔS/kBTC ≈ 1.2–1.6 вызвана тем, что «собственная» критическая температура TсS ΔS-зон (в гипотетическом случае нулевой межзонной связи) далека от общей Тс для соединения, а сверхпроводимость этих зон имеет наведенный характер при T > TсS. В этих зонах с малой щелью, несмотря на их квазидвумерность, реализуется слабая сверхпроводимость с «собственным» характеристическим отношением, близким к 3.5. Важно отметить, что в железосодержащих оксипниктидах, по нашим оценкам, взаимодействие в зонах с малой щелью сильнее: в среднем, 2ΔS/kBTCS ≈ 4 [Kuzmicheva_UFN_2014,Kuzmichev_2016,Kuzmicheva_JETPL_2014]. Тем не менее, слабая сверхпроводимость ΔS-зон в Ba-122 не уникальна: «собственная» сверхпроводимость трехмерного pi-конденсата в диборидах магния [Kuzmichev_2014, Kuzmichev_2016] также стремится к БКШ-пределу. Вопрос сравнения свойств «слабых» зон в известных двухщелевых сверхпроводниках — диборидах магния и железосодержащих соединений — безусловно, интересен и требует отдельного теоретического рассмотрения. 3. Характеристические отношения щелей, определенные в SnS-андреевских экспериментах на монокристаллах с замещением (Ba,K) и (Fe,Ni) в широком диапазоне критических температур, также согласуются друг с другом. Оба параметра порядка практически линейно меняются с изменением ТС ≈ 18–34 К: росту критической температуры в 1.9 раза в Ba(K)-122 соответствует примерно двукратное увеличение амплитуд обеих щелей по сравнению с BaFe(Ni)-122; степень анизотропии большой щели остается примерно постоянной. Следовательно, подобные вариации состава (электронное замещение (Ba,K) изменяет структуру слоев-спейсеров, в то время как дырочное замещение (Fe,Ni) влияет непосредственно на сверхпроводящие блоки кристаллической решетки) не оказывают существенное влияние на фундаментальный механизм сверхпроводимости в арсенидах 122. Подобный скейлинг ΔL,S и ТС отмечен нами в железосодержащих пниктидах семейства 1111 и 11-селенидах [Kuzmicheva_UFN_2014]. Анизотропия малой щели в kxky-плоскости нами не наблюдалась, как и большинством исследователей. Несмотря на многоорбитальный характер и наличие как минимум трех взаимодействующих зон на уровне Ферми, мы показали, что простой двухзонной модели достаточно не только для качественного, но и для количественного описания температурных зависимостей основных параметров — большой и малой щели, электронной теплоемкости и первого критического поля. Согласно нашим оценкам, две эффективные зоны (в которых при температурах T < TC образуются конденсаты со щелями ΔL и ΔS) взаимодействуют относительно слабо. Значение Тс определяется, в основном, сильной связью в «ведущих» зонах, при этом ненулевое кулоновское отталкивание является существенным фактором корректного описания двухщелевого состояния Ba-122. Таким образом, наши экспериментальные данные расходятся с предсказаниями первоначальной s±-модели, основанной на сильном межзонном спаривании [Maiti], и не противоречат реализации s++-состояния [Saito,Onari]. T. Saito, S. Onari, and H. Kontani, Phys. Rev. B 88, 045115 (2013). T.E. Kuzmicheva, S.A. Kuzmichev, M.G. Mikheev, et al., Physics-Uspekhi 57, 819 (2014). S.A. Kuzmichev, T.E. Kuzmicheva, S.N. Tchesnokov, et al., J. Supercond. Novel Magn. 29, 1111 (2016). T.E. Kuzmicheva, S.A. Kuzmichev, N.D. Zhigadlo, JETP Lett. 99, 136 (2014). S.A. Kuzmichev, T. E. Kuzmicheva, S. N. Tchesnokov, JETP Lett. 99, 295 (2014). S. Maiti, A.V. Chubukov, Phys. Rev. B 87, 144511 (2013). S. Onari, H. Kontani, Phys. Rev. Lett. 104, 177001 (2009).

 

Публикации

1. Кузьмичева Т.Е., Кузьмичев С. А., Садаков А. В., Муратов А. В., Усольцев А. С., Мартовицкий В. П., Шипилов А. Р., Чареев Д. А., Митрофанова Е. С., Пудалов В. М. Direct Evidence of Two Superconducting Gaps in FeSe0.5Te0.5: SnS-Andreev Spectroscopy and Lower Critical Field JETP Letters, 104, 12, 864 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.7868/S0370274X16240073

2. Кузьмичева Т.Е., Муратов А.В., Кузьмичев С.А., Садаков А.В., Алещенко Ю.А., Власенко В.А., Мартовицкий В.П., Перваков К.С., Ельцев Ю.Ф., Пудалов В.М. О структуре параметра порядка в высокотемпературных сверхпроводниках на основе железа Успехи физических наук, - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.3367/UFNr.2016.10.038002


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Определена эволюция сверхпроводящего порядка в оксипниктидных железосодержащих сверхпроводниках Sm1-xThxOFeAs. При изменении концентрации допирующего тория x = 0.08-0.3 критическая температура сверхпроводящего перехода увеличивается примерно в два раза, Тс = 21-54 К. Тем не менее, по данным серии экспериментов методом спектроскопии многократных андреевских отражений, такое изменение не влияет на механизм сверхпроводимости: величина основного параметра, определяющего характер сверхпроводимости, - характеристического отношения щели 2/kTc – остается постоянным и соответствует сильной внутризонной связи в зонах с большой и малой щелью. Сверхпроводящий параметр порядка в этих материалах изотропен и имеет s-волновую симметрию без точек нулей (нодов). Напротив, в железосодержащих пниктидах Ba1-xKxFe2As2 и BaFe2-xNixAs2 наблюдалась достаточно сильная анизотропия большой сверхпроводящей щели, порядка 30%, исследовано ее температурное поведение. В оксипниктидах семейства 1111 наблюдался новый эффект – резонансное взаимодействие сверхпроводящей подсистемы с характерной бозонной модой. Оказалось, что эта бозонная мода не является фононной или леггеттовской плазменной модой, а ее энергия близка к сумме амплитуд большой и малой сверхпроводящих щелей. Такое соответствие может указывать на то, что в экспериментах методом андреевской спектроскопии наблюдается спиновый экситон (посредством которого реализуется отталкивающее межзонное взаимодействие в Г-М направлении импульсного пространства), рассматриваемый в s±-модели. Это означает важную роль спиновых флуктуаций в фундаментальном механизме высокотемпературной сверхпроводимости соединений на основе железа. Определены величины и степень анизотропии щелей в монокристаллах FeSe. Анализ электронной составляющей теплоемкости при низких температурах показывает сосуществование изотропной s-волновой сверхпроводящей (СП) щели и анизотропной щели с расширенной s-волновой симметрией. Данные результаты подтверждаются зависимость остаточной электронной теплоемкости от магнитного поля γr(H).

 

Публикации

1. Власенко В.А., Соболевский О.А., Садаков А.В., Перваков К.С., Гаврилкин С.Ю., Дик А.В., Ельцев Ю.Ф. Systematic study of vortex pinning and liquid-glass phase transition in BaFe2−xNixAs2 single crystals JETP Letters, - (год публикации - 2017)

2. Кузьмичев С.А., Кузьмичева Т.Е. Наблюдение бозонных резонансов в GdO1-xFxFeAs методом спектроскопии внутренних многократных андреевских отражений JETP Letters, Jetp Lett. 105, 671 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1134/S0021364017100083

3. Кузьмичева Т.Е., Кузьмичев С.А., Перваков К.С., Пудалов В.М., Жигадло Н.Д. Evolution of superconducting gaps in Th-substituted Sm1−xThxOFeAs studied by multiple Andreev reflection spectroscopy PHYSICAL REVIEW B, Volume 95, Issue 9, Article number 094507 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.094507

4. Кузьмичева Т.Е., Садаков А.В., Муратов А.В., Кузьмичев С.А., Хлыбов Е.П., Куликова Л.Ф., Ельцев Ю.Ф. Magnetic, superconducting and electron-boson properties of GdO(F)FeAs oxypnictides Physica B: Condensed Matter, - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.10.035

5. Муратов А.В., Садаков А.В., Гаврилкин С.Ю., Прищепа А.Р., Епифанова Г.С., Чареев, Д.А., Пудалов В.М. Specific heat of FeSe: Two gaps with different anisotropy in superconducting state Physica B: Condensed Matter, - (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.10.041


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Методами андреевской спектроскопии контактов на микротрещине исследована структура сверхпроводящего параметра порядка в железосодержащих сверхпроводниках различных составов, близких к оптимальным: BaFe2-xNixAs2 (семейство 122) с критическими температурами Тс = 17–21 К и оксипниктидов NdO(H)FeAs (семейство 1111) с Тс = 45-48 К. В этих соединениях установлена двухщелевая сверхпроводимость, определены амплитуды большой и малой сверхпроводящих щелей и получены их температурные зависимости. В 122-пниктидах разрешена значительная анизотропия обеих щелей в xy-плоскости импульсного пространства. В 1111-оксипниктидах обе щели, судя по всему, изотропны. В соединениях обоих семейств показано отсутствие точек нулей (нодов) сверхпроводящего параметра порядка и его s-волновая симметрия. В NdO(H)FeAs также наблюдалось резонансное взаимодействие с характерной бозонной модой в процессе многократных андреевских отражений, определена ее энергия при Т = 4.2 К. Установлена однощелевая природа сверхпроводимости в монокристаллах BaPd2As2 (Tc = 3.8K). Получена величина и исследовано температурное поведение сверхпроводящей щели из экспериментов по Андреевским отражениям, теплоемкости. Исследованы сверхпроводящие свойства этого соединения, получены зависимости второго и первого критического полей от температуры. Показано, что гидростатическое давление уменьшает плотность состояний на уровне ферми, одновременно с этим падает Tc с 3.8К (нормальные условия) до 2К (при 8 Гпа).

 

Публикации

1. Абдель-Хафиз М., Жао Й., Хуанг З., Чо Ч.-В., Вонг Ч. Х., Хассен А., Охкума М., Фэнг Й.-В., Пэн Б.-Дж., Рен З.-А., Садаков А.В., Усольцев А.С., Пудалов В.М., Мито М., Лортц Р., Крельнер Ц., Йанг В. High-pressure effects on isotropic superconductivity in the iron-free layered pnictide superconductor BaPd2As2 Physical Review B, 97, 134508 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.134508

2. Веденеев С.И., Голубков М.В., Горина Ю.И., Родин В.В., Садаков А.В., Сентюрина Н.Н., Соболевский О.А., Степанов В.А., Черноок С.Г. Некоторые свойства монокристаллов Fe1+ySexTe1-x в сверхпроводящем и нормальном состояниях ЖЭТФ, Том. 154, Номер. 4, стр. 844 (год публикации - 2018)

3. Кузьмичева Т.Е., Кузьмичев С.А., Садаков А.В., Гаврилкин С.Ю., Цветков А.Ю., Лю Кс., Луо Х., Васильев А.Н., Пудалов В.М., Чен. Кс.-Дж., Абдель-Хафиз М. Superconducting gap symmetry in the superconductor BaFe1.9Ni0.1As2 Physical Review B, 97, 235106 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.235106

4. Николаев Е.Г., Луганский Л.Б., Власенко В.А., Перваков К.С., Мартовицкий В.П., Ельцев Ю.Ф., Будько С.Л., Кэнфилд П.С 75As NMR and XRD Study of Structural and Electronic Inhomogeneities in Ba(Fe1−xNix)2As2 Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, Volume 31, Issue 10, pp 3289–3295 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1007/s10948-018-4587-x


Возможность практического использования результатов
не указано