Нелинейная спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников: интерпретация спектральных, временных и температурных особенностей нелинейного отклика при высоких и низких уровнях возбуждения

• Автор: Бобырев, Юрий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 156 с. : ил.

Глава 1. Спектроскопия высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП)

1.1 Сверхпроводимость и спектр электронных состояний

1.2 Диагностика энергетической щели в ВТСП материалах

1.2.1 Туннельная спектроскопия

1.2.2 Инфракрасная спектроскопия

1.2.3 Спонтанное комбинационное рассеяние света

1.3 Исследование кинетики релаксационных процессов

1.3.1 Болометрические методы

1.3.2 Зондирование кинетики коэффициентов пропускания/ 43 отражения

1.3.3 Методы когерентной четырехфотонной спектроскопии

1.4 Страйп-структуры и энергетическая псевдощель

1.5 Выводы
Глава 2. Кинетика возбужденных состояний в тонких ВТСП пленках
2.1 Основные предположения
2.2 Модельные кинетические уравнения
2.2.1 Кинетика процессов рекомбинации
2.2.2 Остывание электронной подсистемы
2.3 Начальные условия и параметры численного моделирования
2.4 Кинетика термодинамических параметров электронной и фононной
подсистем после ударного оптического возбуждения
2.4.1 Фемтосекундное возбуждение
2.4.2 Пикосекундное возбуждение
2.5. Выводы
Глава 3. Однофотонное зондирование возбужденных состояний ВТСП
пленок
3.1 Основные предположения
3.2 Модель межзонных электронных переходов
3.3 Параметры численного моделирования
3.4 Кинетика изменений диэлектрической проницаемости тонкой ВТСП
пленки после ее ударного возбуждения

3.4.1 Фемтосекундное возбуждение
3.4.2 Пикосекундное возбуждение
3.5. Выводы
Глава 4. Двухфотонное зондирование возбужденных состояний ВТСП
пленок
4.1 Основные предположения и модель нелинейного отклика
4.2 Параметры численного моделирования
4.3 Четырехфотонный отклик ВТСП пленок
4.3.1 Фемтосекундное возбуждение - зондирование
4.3.2 Пикосекундное возбуждение - зондирование
4.4 Выводы
Приложение
Межзонные электронные переходы и спектральные особенности четырехфотонного отклика металлических пленок П.1 Экспериментальная установка
П.2 Исследуемые образцы
П.З. Результаты эксперимента
П.4 Спектральные особенности нелинейного отклика в методе ВЧФС
П.5 Результаты численного моделирования
П.6 Выводы
Заключение
Литература

Актуальность проблемы
Развитие методов и техники генерации сверхкоротких лазерных импульсов стимулировало изучение процессов сверхбыстрой релаксации фотовозбуждения в высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП). Конечно, столь значительный интерес к экспериментам подобного рода связан и с прекрасными перспективами практического использования сверхбыстрых и сверхчувствительных ВТСП болометров. Однако гораздо важнее то, что такие исследования способны дать качественно новую информацию, проливающую свет на физику самого явления ВТСП, которое до сих пор так и не имеет однозначной трактовки.
На сегодняшний день уже накоплен огромный экспериментальный материал по исследованию кинетики тонких пленок ВТСП самыми разными методами. Однако характер процессов, протекающих в таких пленках во время и сразу после их сверхбыстрого оптического возбуждения, пока остается не до конца ясным. Так, в ряде экспериментов, проведенных в классической модификации метода пробного пучка, было установлено, что в окрестности точки (температуры) Т0 = Тс фазового перехода в сверхпроводящее состояние время релаксации тк нелинейного отклика, которое традиционно связывалось с процессами релаксации фотовозбужденных носителей, резко растет. Именно такое поведение тк вблизи Тс предсказывала и теория для низкотемпературных сверхпроводников, поскольку одновременно с формированием энергетической (сверхпроводящей) щели в их электронном спектре более жесткими должны становиться и ограничения, налагаемые на фазовое пространство электронных состояний в актах рассеяния. Однако уже вскоре было показано, что указанная особенность наблюдаются лишь при очень высоких уровнях возбуждения, т.е. именно в тех условиях, когда исходно сверхпроводящий образец практически мгновенно должен «забывать» любую информацию о своем исходном состоянии (начальной температуре

разрушение сверхпроводящего состояния (когерентности электронных волновых функций), в спектре состояний ВТСП пленки в течение еще достаточно долгого времени после оптического возбуждения может существовать некая энергетическая щель, обусловленная сохранением некогерентных пространственных корреляций. По сути, речь шла о неком структурном фазовом переходе, который не успевал пройти на интервалах времени длительностью вплоть до 1 нс. На вопросе о возможности существования таких необычных состояний, мы и остановимся в следующем разделе.
1.4 Страйп-структуры и энергетическая псевдощель
Анализ результатов исследований медно-оксидных ВТСП соединений доказал, что их металлическая проводимость связана с нарушениями стехиометрического состава (определенным уровнем дефектности - «легированием») [132-134], а электронная структура определяется сложным взаимодействием «хорошо» и «плохо» локализованных состояний, чувствительных к ближнему порядку. При этом весьма сильная анизотропия приводит к квазидвумерному характеру поверхности Ферми. Известным общим свойством медно-оксидных ВТСП является упорядочение спинов ионов Си в так называемых купратных (Си02) плоскостях. При стехиометрическом составе эти ионы (Си2) имеют дырки со спином я = 1/2 в ЗсТоболочке, а косвенное (через ионы кислорода) обменное взаимодействие устанавливает дальний антиферромагнитный порядок при сравнительно высоких температурах Нееля Тк = 300-н 500 К [135].
Детальное изучение магнитной структуры и спиновых корреляций в металлической фазе монокристаллов Ьа2Си04 и УВа,Си307_6 было проведено методом нейтронного рассеяния [136]. При этом было установлено, что магнитные моменты ионов Си2 в бислоях Си02-У-Си02 упорядочены антиферромагнитным образом, а момент на ионах Си1 в линейных цепочках Си-О, отсутствует. Методом диффузного нейтронного