CC BY
12
УДК 535.33; 539.2
ПОЛУЧЕНИЕ МОДУЛЯЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ MgB2 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА
Л-МОДУЛЯЦИИ
А. М. Герасимов, А. И. Головашкин, О. М. Иваненко, А. П. Короткое
Описана настройка и отладка модуляционной оптической автоматизированной установки с помощью измерений обычных и модуляционных спектров светофильтра и золотого зеркала, а также результаты предварительного исследования модуляционных спектров высокотемпературного сверхпроводника МдВ2. В спектре МдВ? обнаружена полоса поглощения с локальной особенностью при hu — 1.81 эВ.
Оптические свойства соединений являются весьма существенным источником информации об их электронной структуре. Оптические спектры позволяют находить характеристики электронов проводимости и параметры электрон-фононного взаимодействия в полупроводниках, металлах и проводящих соединениях. При этом при изу чении соединений с металлическим характером проводимости возникают значительно большие трудности по сравнению с полупроводниками, оптические спектры которых характеризуются узкими и отчетливыми полосами поглощения. Оптические спектры металлов имеют значительно менее отчетливую структуру и характеризуются широкими полосами поглощения. Возможность изучать тонкую структуру оптических спектров дают модуляционные оптические методы [1]. При использовании модуляционных методик на эксперименте определяются спектры производной исследуемой величины (обычно коэффициента отражения i?), на которых все особенности спектра проступают более отчетливо. ±*1одуляцнонныи оптическир! спектр, получаемый с помощью модз -ляции длины волны светового потока (т.н. А-модуляция), представляет собой частотную зависимость (или зависимость от длины волны света А) производной логарифма оптической характеристики (коэффициента пропускания или отражения) по параметру
4
модуляции А. Наибольший интерес представляют собой модуляционные спектры отражения, поскольку они могут измеряться на массивных непрозрачных образцах. В этом случае модуляционный спектр отражения определяется выражением:
где /?(А) - коэффициент отражения образца, 6А - глубина модуляции длины волны излучения, ¿ЩХ) - величина изменения коэффициента отражения образца при изменении длины волны излучения на 6А (величина 6Л зависит от А).
Измерения модуляционных спектров методом А-модуляции проводились на модернизированном варианте автоматизированной оптической модуляционной установки, созданной в лаборатории сверхпроводимости ФИАН. Первоначальный вариант установки подробно описан в работах [2, 3]. Модернизированный вариант установки, а также методика экспериментального определения глубины модуляции ¿X описаны в [4].
В настоящей работе описана, во-первых, настройка, отладка установки с помощью измерений обычных и модуляционных спектров светофильтра №-650 (спектры пропускания) и золотого зеркала (спектры отражения) и, во-вторых, результаты предварительного исследования модуляционных спектров высокотемпературного сверхпроводника МдВ2.
Результаты измерений спектров светофильтра показали полное соответствие модуляционного оптического спектра пропускания (спектра производной ¿Т/с1 А, где Г(А) -коэффициент пропускания) обычному спектру пропускания, что подтвердило правильность настройки, как оптической, так и электронной схемы установки.
Используемое нами золотое зеркало представляет собой непрозрачную пленку золота, нанесенную в вакууме на полированную стеклянную подложку. Спектр отражения золотого зеркала, а также его модуляционный спектр отражения приведены на рис.1
о
а, Ь. Величина глубины модуляции 8X в исследованной области составляла около 2 А. Измерения спектров выполнены в интервале длин волн 4178 - 7199 А. В качестве приемника излучения использовались ФЭУ-62 и ФЭУ-39. На рисунке для обычного спектра приведены также значения коэффициента отражения золота для разных длин волн из [5]. Наблюдается хорошее согласие наших результатов с известными по литературе данными. Видно также соответствие измеренных спектров отражения -Й(А) и производной
В качестве первого объекта экспериментального исследования был выбран высокотемпературный сверхпроводник МдВ2- Обнаруженный около трех лет назад, этот
0(А) =
(йпД(А) (IX
Д(А) <1Х ~ Я(А) 8Х '
1 <Ш(А) 1 6Я( А)
(1)
¿Я/йХ.
т
Рис. 1. а) Коэффициент отражения золота Я(Х); ф - табличные значения. Ь) Модуляционный спектр золота /3(А).
сверхпроводник является уникальным соединением. В нем, помимо перехода в сверх проводящее состояние при температуре Тс = 39 К, найден второй фазовый переход в области температур 10 - 12 К. Обнаружено, что в МдВ2 проявляются две сверхпроводящие щели, соответствующие двум вышеуказанным температурам фазовых переходов. Теория связывает наличие двух сверхпроводящих щелей с двумя группами носителей заряда, имеющихся в соединении МдВ2■ Такая необычная электронная структура привлекает к этому соединению повышенное внимание [6]. Кроме того, МдВ2 считается одним из очень перспективных соединений для приложений в сверхпроводниковой электронике. Это связано с весьма высокой Тс, отсутствием в этом соединении "вредных элементов и значительной по сравнению с другими высокотемпературными сверхпроводниками длиной когерентности.
В настоящей работе мы выполнили предварительные исследования спектра отражения МдВ2 и его модуляционного спектра отражения в области длин волн 4178 -
4
Рис. 2. Коэффициент отражения МдВ2 Д(А) и его производная и ¿Д/^А.
7199 А. Интерес к оптическим свойствам МдВ2 в видимой области спектра (энергия Нш ~ 1—2 эВ) связан с тем, что в этом соединении может существовать диэлектрическая щель Ед ~ 1 — 3 эВ [7, 8]. Ее характерное значение важно для понимания природы уникального электронного строения МдВ2. Отметим, что близкие по значению величины диэлектрических энергетических щелей Ед ~ 2 эВ (пайерлсовская щель) наблюдаются в других высокотемпературных сверхпроводниках.
Образец представлял собой пленку МдВ2, нанесенную на подложку МдО (001) методом лазерного осаждения. Размер образца составлял 6x10 мм2. Глубина модуляции при измерении модуляционного спектра 8А была около 2 А. Измерения выполнены при комнатной температуре.
Результаты измерений спектра отражения Д(А) и его производной <Ш/<^А приведены на рис. 2, модуляционный спектр /3(А) - на рис. 3. Из рисунков видно, что в области Ни> ~ 2 эВ в МдВ2 имеется полоса поглощения. Полоса имеет сложную структуру, в частности, локальный минимум при Ни = 1.81 эВ (А и 6900 А). Однако на наш взгляд, эта полоса выглядит недостаточно резкой, чтобы претендовать на роль представителя пайерлсовской щели. Возможно, что вблизи исследованного нами интервала А
ад
существует другая, более сильная полоса поглощения, соответствующая пайерлсовской щели. Возможно также, что причиной отсутствия ожидаемой полосы в спектре является недостаточно высокое качество исследуемого образца. Поэтому полученные данные надо считать предварительными, требующими дальнейших исследований в более широкой области спектра и на более совершенных образцах.
Авторы выражают благодарность Л. Л. Чайкову за ценные замечания.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект N 03-02-16930).
ЛИТЕРАТУРА
[1] К а р д о н а М. Модуляционная спектроскопия. М., Мир, 1972.
[2] Головашкин А. И., Кузнецов Г. И., Шелехов А. Л. Препринт ФИАН N 69, М., 1999.
[3] Головашкин А. И., Кузнецов Г. И., Шелехов A. JI. Прикладная физика, N 1, 16 (2000).
[4] Герасимов А. М., Головашкин А. И., Иваненко О. М., Короткое А. П. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 10, 10 (2003).
[5] Т о п о р е ц А. С. Монохроматоры. М., Гостехиздат, 1955.
[6]Buzla С., Yamashita Т. Superconductor Science and Technology, 14, R115 (2001).
[7] Ш e и н И. Р., Ивановский А. Л. ФТТ, 44, 1752 (2002).
[8] М a z i n I. I., Antropov V. P. Cond-mat/0212263 (2002).
Поступила в редакцию 24 декабря 2004 г.
