продолжение
К высокотемпературной сверхпроводимости через два фазовых перехода


Псевдощелевое состояние в Pb-Bi_2201 и стало объектом исследований авторов публикации в Science. Может возникнуть вопрос: почему из множества других медных ВТСП ученые сосредоточили свое внимание именно на этом материале? Главная причина такого выбора связана с большим температурным интервалом перехода от псевдощелевого состояния к сверхпроводящему в оптимально допированном образце. Широкий температурный коридор (зеленая полоса со стрелкой на рис. 2) позволяет неспешно пронаблюдать эволюцию энергетического спектра Pb-Bi_2201 и заодно попытаться прояснить природу псевдощели.

Ученые приготовили серию кристаллов Pb-Bi_2201, а затем подвергли их исследованию с помощью различных методик, которые отображают желаемый энергетический спектр, а также другие характеристики, помогающие идентифицировать псевдощелевое состояние.

Наиболее распространенная методика обнаружения псевдощели — фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES). В ARPES поверхность исследуемого образца облучается рентгеновскими лучами, которые выбивают из валентной зоны электроны. По энергии и направлению вылетевших валентных электронов определяется энергетический спектр материала. При помощи ARPES авторы статьи обнаружили, что псевдощель в оптимально допированном кристалле рождается при температуре около 132 К. Этот результат согласуется с измерениями, проведенными другими учеными, так что ничего удивительного в этом пока нет.

Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением — безусловно, эффективная для своего круга проблем технология, однако она дает лишь поверхностную (в буквальном смысле) информацию о веществе. Для поставленной задачи этого явно недостаточно, поэтому ученые решили привлечь методики, которые могли бы заглянуть внутрь вещества и проследить, как меняется внутренняя структура и свойства кристаллов в окрестности температуры появления псевдощели и происходят ли эти изменения в Pb-Bi_2201 при температуре T* = 132 К.

Для этого ученые обратились к измерениям в исследуемом веществе магнитооптического эффекта Керра — влияния намагниченности среды на поляризацию отраженного от нее света. Магнитное поле внутри кристалла приводит к вращению плоскости поляризации отраженного света (плоскости, задаваемой вектором напряженности электрического поля и вектором, указывающим направление распространения электромагнитной волны). Это вращение пропорционально намагниченности кристалла. Применительно к Pb-Bi_2201 магнитооптический эффект Керра возникал, когда температура становилась меньше 132 К (рис. 3), то есть ниже T*. И хотя угол вращения совсем маленький, порядка микрорадиана, ясно, что при этой температуре внутри кристалла происходит изменение магнитного порядка. А при температуре выше T* никакого угла не возникает.

Этот факт, а также то, что появление ненулевого угла вращения очень точно совпадает по температуре с возникновением псевдощели, навело авторов статьи на следующую мысль: псевдощелевая фаза — это независимое от сверхпроводимости состояние, никак не связанное с «отголосками» сверхпроводящей фазы в виде некогерентных куперовских пар. Более того, появление псевдощели нужно идентифицировать как полноценный фазовый переход в веществе, такой же, как, например, переход к сверхпроводимости.



Рис. 3. Температурная зависимость угла вращения ΘK (в микрорадианах) плоскости поляризации в магнитооптическом эффекте Керра (PKE — polar Kerr effect) для Pb-Bi_2201. T* обозначает температуру возникновения ненулевого угла вращения, которая затем идентифицируется авторами как температура наступления псевдощелевого состояния, T_c — температура сверхпроводящего перехода. Красные круги соответствуют экспериментальным данным авторов статьи. Зеленые ромбы и голубые квадраты представляют аналогичные результаты по магнитооптическому эффекту Керра, взятые их других работ. Пунктирная черная линия проведена для лучшего восприятия измеренных данных. На вставке: температурная зависимость изменения коэффициента отражения, полученная при помощи спектроскопии временного разрешения (TRR — time-resolved reflectivity).

Чтобы проверить справедливость своей гипотезы о фазовом переходе, авторы статьи применили еще одну методику — спектроскопию временного разрешения (time-resolved spectroscopy). Данная технология является довольно распространенным способом измерения характеристик ВТСП, позволяя в реальном времени проследить за поведением электронов внутри материала при фазовом сверхпроводящем переходе, а также измерить величину сверхпроводящей щели и псевдощели. Спектроскопия временного разрешения представляет собой детектирование кратковременного изменения (в пределах пикосекунды, 10^{–12} с) коэффициента отражения света, вызванного фемтосекундными (10^{–15} с) лазерными импульсами линейно поляризованного света. Результаты обрабатываются специально созданной теорией, из которой можно извлечь желанные данные по веществу (динамику куперовских пар вблизи T_c, щель и псевдощель).

Применив данную технологию к Pb-Bi_2201, ученые обнаружили, что, когда температура образца составляет опять-таки те же 132 К, рождается ненулевой сдвиг в значении коэффициента отражения кристалла, который при понижении температуры монотонно увеличивается. Интересно, что такой же по характеру сдвиг в значении коэффициента отражения наблюдается, когда Pb-Bi_2201 становится сверхпроводником. Конечно, это изменение довольно маленькое, порядка 10^{–5}, как можно видеть из графика на рис. 3. Тем не менее оно есть, что лишний раз доказывает правильность гипотезы, высказанной авторами.

Итак, выходит, что три разных экспериментальных методики указывают на то, что появление псевдощели при температуре приблизительно 132 К нужно воспринимать не иначе как фазовый переход. Таким образом, чтобы кристалл ВТСП начал сверхпроводить, он по мере понижения температуры должен испытать два фазовых перехода: сначала появление псевдощели, а затем рождение сверхпроводимости.

В своей статье ученые не дают ответа на вопрос о причинах возникновения псевдощели, однако то, что псевдощель оказалась совершенно обособленным состоянием вещества, не имеющим к сверхпроводимости никакого отношения, — несомненно, очень важный результат для дальнейших исследований в псевдощелевой тематике.

Источник: Rui-Hua He, M. Hashimoto, H. Karapetyan, J. D. Koralek, J. P. Hinton, J. P. Testaud, V. Nathan, Y. Yoshida, Hong Yao, K. Tanaka, W. Meevasana, R. G. Moore, D. H. Lu, S.-K. Mo, M. Ishikado, H. Eisaki, Z. Hussain, T. P. Devereaux, S. A. Kivelson, J. Orenstein, A. Kapitulnik, Z.-X. Shen. Two Thermal Phase Transitions From a Single-Band Metal to a High-Temperature Superconductor via Two Thermal Phase Transitions // Science (2011). V. 331. P. 1579–1583.