ВЕРХНЕЕ КРИТИЧЕСКОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК MgB2 И ЧИСТЫЙ ПРЕДЕЛ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 537.312.62

ВЕРХНЕЕ КРИТИЧЕСКОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК МёВ2 И ЧИСТЫЙ ПРЕДЕЛ

Н. П. Шабанова, С. И. Красносвободцев, А. В. Варлашкин, В. С. Ноздрин

Показано, что верхнее критическое магнитное поле Нс2 эпитаксиалъных пленок МдВ2 с остаточным удельным сопротивлением 5 — 25 /иГ2 • ст значительно превышает критическое поле чистого предела. По изменению Нс2 в образцах с различной дефектностью получены оценки плотности электронных состояний на уровне Ферми и скорости Ферми МдВ2. Проведено сравнение этих параметров с параметрами сверхпроводящих соединений МЬС и N^34.

Согласно оценкам работы [1], основанным на результатах измерений верхнего крп тического магнитного поля Нс2, эпитаксиальные пленки МдВ2 относятся к чистым сверхпроводникам. Вместе с тем измерений, выполненных на единичном образце, недостаточно для полного представления о верхнем критическом поле сверхпроводника 2 рода. Для обычных й-волновых сверхпроводников из-за вклада, связанного с рассеянием электронов проводимости на примесях и дефектах, Нс2 может быть существенно выше верхнего критического поля чистого сверхпроводника [2, 3]. В настоящей работе для эпитаксиальных пленок МдВ2 с различной дефектностью, полученных импульсным лазерным распылением, рассматривается соотношение их верхнего критического магнитного поля со значением критического поля чистого предела.

Осаждение пленок производилось на подложки МдО (111) и А1203 (1102), использовались стехиометрические мишени МдВ2 [4]. Пленки имели резкие индуктивные переходы, что указывало на их объемную однородность. Параметры наименее дефектной пленки (критическая Тс = 39 К и отношение сопротивлений при комнатной тем пературе к остаточному 3.2) не многим уступали параметрам лучших эпитаксиальных пленок, синтезированным физико-химическим методом [5]. Резистивные измерения

в магнитном поле Н\\с показали, что при характерных остаточных сопротивлениях /?„ = 5 — 25/хГ2 • см верхнее критическое магнитное поле характеризуется значениями наклона фазовой кривой Нс2(Т) вблизи Тс —¿Нс2/с1Т ~ 4 — 6 кЭ/К. Соответственно, значения Яс2(0) ~ 100 — 170 кЭ согласуются с данными для эпитаксиальных пленок [6] и ниже, чем в [1]. Хотя данные, приемлемые для интерпретации Нс2 МдВ2 как функции удельного сопротивления, немногочисленны, сравнение параметров образцов с различной дефектостью позволяет оценить по порядку величины некоторые параметры сверхпроводящего состояния и электронной структуры.

Считается установленным, что МдВ2 относится к сверхпроводникам с четным параметром порядка. Его критическая температура практически не чувствительна к ра-сеянию электронов на дефектах [7]. В то же время, электронное рассеяние повышает Нс2. Если дефекты не изменяют электронную структуру материала, Нс2 с неплохой точностью выражается как сумма критического поля чистого и грязного предела [3]. Первое слагаемое определяется электронной структурой материала: Я°2 ~ Тст/Ер {т - эффективная масса электрона в сверхпроводнике, Ер - энергия Ферми). Второе слага емое связано с рассеянием электронов, и определяется величиной Т,с27У*(0)/9„. Поскольку суммарное критическое поле растет линейно с повышением удельного сопротивления, критическое поле чистого предела можно определить простой экстраполяцией данных к рп = 0.

Согласно литературным данным [8, 9], монокристаллические образцы характеризу ются остаточным удельным сопротивлением около 1 //Г2 • см и наклоном —¿Нс2/с1Т ~ 1.1 — 1.7 кЭ/К. Из сравнения данных пленок и монокристаллов следует, что критическое поле МдВ2 в чистом пределе характеризуется значениями —¿Н^/бТ ~ 1 к.Э/К, Н®2(0) ~ 30 кЭ. Нс2 эпитаксиальных пленок оказываются значительно выше.

Определив таким образом величину первого слагаемого в выражении для крг тического поля, можно оценить скорость роста критического поля —¿Н'с21 <1рп [(—с?Нс2/(1Т) — (—¿Н°2/с1Т)]/рп при повышении остаточного удельного сопротивления. Скорость роста критического поля пропорциональна плотности электронных состояний Лг*(0). Соответствующая оценка N'(0) для МдВ2 приведена в таблице. Там же приводятся характеристики детально изученных ранее сверхпроводящих соединений АЬз^'п и N50 с достаточно высокой критической температурой [2, 3]. Представленной в та блице величине плотности электронных состояний МдВ2 соответствует коэффициен г при электронной теплоемкости около 10 мДж/(мольК2). Это значение оказалось вдвое выше, чем полученное из измерений теплоемкости [10].

Зная критическое поле чистого сверхпроводника 2 рода, можно оценить и другие его параметры [2, 3]. Соответствующая длина когерентности Гинзбурга-Ландау £(0) около 90 А. Длина когерентности микроскопической теории £0 = ^(0)/0.74 составляет примерно 125 А. Ее соотношение с длиной свободного пробега I в исследуемых пленках можно оценить из соотношения вклада рассеяния и критического поля чистого предела [2, 3]. Для малодефектных эпитаксиальных пленок характерно соотношение £0// ~ 3.

В анизотропном сверхпроводнике эффективная масса электрона т определяется тензором 2 ранга и зависит от анизотропии энергетической щели. Если анизотропия энер гетической щели невелика, электронные массы нормального и сверхпроводящего состояния совпадают. В таком случае критическое поле (без учета рассеяния) определяется средним по поверхности Ферми квадратом компоненты скорости Ферми (и*2), перпендикулярной направлению магнитного поля. Для Н\\с —¿Щ2/(1Т — 2.1 • 101ьТс/(и*^) [2]. Низкое критическое поле чистого предела отвечает высокой скорости Ферми МдВ2: (О1'2 ~ 3 • 107 см/с (см. в таблице).

Таблица

Параметры электронной структуры сверхпроводящих соединений

МдВ2, ЛГЬ35п и ЫЪС

т 1 С) к -ан^/ат, кЭ/К Яс°2(0), кЭ -<1Н'с2/(1рп, кЭ/К (гОсм «¡)ф, 107 см/с ЛГ(0), ^034 сост. эргсм3

МдВ2 39 ~ 1 30 0.3 3 9

ШС 12 0.9 8 0.12 1.7 3.6

ЫЪ^п 18 13.5 179 0.45 0.6 14

Примечание. Звездочкой обозначены электронные характеристики сверхпроводника с сильной связью. Для кубического материала (и26) = 2(и2)/3 [2].

В результате, из сравнения образцов МдВ2 с различной дефектностью оценены критическое магнитное поле чистого предела Н®2(0) ~ 30 кЭ (П\\с) и наклон его температурной зависимости — ¿Н°2/с1Т ~ \кЭ/К вблизи Тс. Эти значения близки к соответствующим значениям для соединения АГЬС и на порядок ниже, чем для Л/'6з5'77. Поскольку верхнее критическое магнитное поле пленок с остаточным удельным сопротивлением 5-25 /гГ2 • см значительно превышает значение Д?2, образцы с такой дефектностью не являются чистыми сверхпроводниками.

Низкому критическому полю чистого предела МдВ2 отвечает высокая скорость Ферми, (у*^)1/2 ~ 3 • 10' см/с. Плотность электронных состояний ]У*(0), оцененная из изменения критического поля Нс2 с ростом остаточного удельного сопротивления, оказалась выше, чем в ЫЬС, но ниже, чем в

Представленные в настоящей работе значения плотности электронных состояний, скорости Ферми и некоторых других параметров МдВ2, получены на основе небольшой экспериментальной статистики. Их следует рассматривать как предварительные оценки.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследова ний, грант 02-02-17353, и Госконтрактом N 40.0121.1.11.46 "Управляемая сверхпроводимость" .

[1 [2 [3 [4 [5 [6 [7 [8 [9 [10

ЛИТЕРАТУРА

Jung М. Н. et al. cond-mat/0106146. Шабанова Н. П. и др. ФТТ, 38, 1969 (1996). Красносвободцев С, И. и др. ЖЭТФ, 108, 970 (1995). Красносвободцев С. И. и др. ЖТФ, принято к публикации. Z е п g X. et al. Nature materials, 1, 35 (2002). P a t n a i k S. et al. Supercond. Sci. Technol., 14, 315 (2001). Anderson P. W. J. Phys. Chem. Solids, 11, 26 (1959). E 1 t s e v Yu. et al. cond-mat/0204027. Z e h e t ш а у e r M. et al. cond-mat/0204199. W й 1 t i Ch. et al. Phys. Rev., B64, 172515 (2001).

Поступила в редакцию 20 января 2003 г.