Трехспиновый полярон как элементарное возбуждение купратных высокотемпературных сверхпроводников

Секция ««ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ»

УДК 623.273

К. К. Комаров Научный руководитель - Д. М. Дзебисашвили Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ТРЕХСПИНОВЫЙ ПОЛЯРОН КАК ЭЛЕМЕНТАРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ КУПРАТНЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Для описания низкоэнергетических свойств купратных ВТСП проведено развитие концепции нелокального трехспинового полярона (НТСП), формируемого в Си02-плоскости в результате сильной обменной связи спиновых моментов легированной дырки и двух ближайших ионов меди. Рассмотрены спектральные свойства изолированного НТСП, и рассчитанg-фактор этой квазичастицы.

За прошедшее время с момента открытия высокотемпературных купратных сверхпроводников, высказано немало предложений о природе фермиевских возбуждений. В настоящее время по этому вопросу имеется несколько точек зрения. В качестве вероятных кандидатов на роль квазичастиц в купратных ВТСП обычно рассматриваются биполяроны, спиновые поляроны на основе синглетов Жанга-Райса (СЖР), а также нелокальные трехспиновые поляроны. В силу малости изотопического эффекта в купратах биполяроны представляются маловероятными. Подавляющее число теоретических исследований в этой области делается в рамках концепции СЖР или ее упрощений. Значительно меньше исследований посвящено изучению роли НТСП в низкотемпературной физике медно оксидных ВТСП.

Целью данной работы является теоретическое исследование низкотемпературных спектральных свойств купратных ВТСП в рамках концепции формирования нелокального трехспинового полярона в Си02-плоскости.

В работе [1] был предложен реалистичный Гамильтониан описывающий главные особенности кристаллического строения и электронных взаимодействий в Си02-плоскости купратных ВТСП. В рамках этой модели, в работе [2], в качестве квазичастицы, был предложен НТСП, образующийся при учете

сильной обменной связи между спином дырки на ионе кислорода и двумя спинами на ближайших ионах меди (рис. 1).

В рамках модели купратных ВТСП, предложенной в работе[1],нами был выведен эффективный низкоэнергетический гамильтониан в режиме сильных электронных корреляций. При типичных значениях параметров исходной моделисамым большим энергетическим параметром эффективного гамильтониана оказался параметр р-^обменного взаимодействия. Именно это взаимодействие приводит к формированию нелокального трехспинового полярона.

Рис. 1. Нелокальный трехспиновый полярон

Я = 0

Нф о

Е, =е„ + —

Р*

©О

р*

'21(7

_ - -Г

1/(7

л =

5=1/2;

Ф©Ф

Е=

$ 1/2

¿'-3/2; Е2=ер 5-3/2 Щ.

5=1/2, 5=1/2 ---->-

К =£ -А

1 р - - "Г

9ъ 9о + 2д5

3

9г ~ 9о

91 401 ~9о

3

3 = 2

Рис. 2. Спектр НТСП

Рис. 3. g-Фактор НТСП

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

Для начального исследования мы рассмотрели изолированный НТСП, состоящий из двух ионов меди со спином 8 = '/2 и ионом кислорода между ними. В отсутствие дырки на ионе кислорода имеется четыре состояния для двух ионов меди: одно синглетное и три триплетных. При появлении дырки на ионе кислорода, возникает 8 состояний, которые благодаря р-^обменному взаимодействию разбиваются на два дублета и один квартет (рис. 2). Все эти состояния есть поляронные состояния и рождение дырки на кислороде должно описываться переходом системы в одно из состояний поляронов.

Все эти переходы можно описать математически строго, если ввести операторы рождения изолированного НТСП, удовлетворяющих уравнению движения с гамильтонианом р-^обменной связи:

= [1 -ь А ) - - ррхг

Из этих выражений явно видно перепутывание спиновых (операторы спина) и зарядовых (операторы Хаббарда) степеней свободы.

В магнитном поле верхний уровень вырожден четырехкратно, а два нижних двухкратно, при включении магнитного поля они расщепляются, расщепление определяется g-фактором (рис. 3). По теории возмущения получаем выражения для g-фактора каждого из этих мультиплетов, черезg-факторы исходных состояний на ионах меди и кислорода. Если взять самый простейший случай, когда g-фактор на меди и кислороде равен 2, то получается, g-фактор НТСП равен 2.

Библиографические ссылки

1. V. J. Emery, PRL. v. 58, 2794 (1987).

2. V. J. Emery, G.Reiter, PRB, 38, 4547 (1988).

© Комаров К. К., 2013

УДК 541.124.16 + 662.612

В. А. Коньков1, В. Г. Мягков12, В. С. Жигалов1,2

1 Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

2 Институт физики им. Л. Киренского СО РАН, Красноярск

МАГНИТНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ Fe3Ge(001) ПЛЕНОК

Представлены экспериментальные исследования твердофазных реакций в пленках Ge/Fe. Первой фазой, формирующейся на интерфейсе Fe/Ge при температуре отжига 300 °С, является фаза ß - Fe16Ge. При температуре выше 550 °С возникает фаза Fe3Ge с магнитными характеристиками К1 = 1,35105 эрг/см3 и MS = 1 080 Гс.

Получение материалов, которые одновременно обладают полупроводниковыми и магнитными свойствами, интенсивно исследуются для будущих элементов спинтроники. В настоящее время ферромагнитные полупроводники FexGe1-x привлекают большее внимание, однако, недостаточно экспериментальных данных о магнитных свойствах FexGe1-x [i; 2].

В работе исследуются твёрдофазные реакции в эпитаксиальных плёнках Ge/Fe(001). Исходные плёночные структуры Ge/Fe получены термическим осаждением на монокристаллическую подложку Mg0(001) в вакууме 10-6 мм рт.ст.. Осаждение слоёв Fe (100 нм) велось при температуре 250 °С, при которой происходил её эпитаксиальный рост на поверхности Mg0(001). Слои Ge (100 нм) осаждались при комнатной температуре для предотвращения твёрдофаз-ной реакции между слоями Ge и Fe. Исходные образцы Ge/Fe(001) подвергались термическому отжигу в температурном диапазоне от 300 °С до 700 °С с шагом 50 °С и выдержкой при каждой температуре 40 минут. Измерения магнитной кристаллографической анизотропии К1 и намагниченности насыщения MS проводили методом крутящих моментов в максимальном магнитном поле 18кЭ. На рис. 1 приведены температурные зависимости нормализированных ве-

личин К1 и MS. До температуры отжига 300 °С значения К1 и MS не зависят от TS температуры подложки, что говорит об отсутствии соединений на интерфейсе Ge/Fe. При температуре свыше 300 °С все образцы показывают уменьшение значений К1 и MS и при температуре 550 °С становятся полностью немагнитными. При температурах Т>600 °С величины К1 и MS сильно увеличиваются и при 700 °С принимают значения К1 = 1,35 • 105 эрг/см3 и MS = 1 080 Гс.

Дифракционные картины меняются в соответствии с изменением зависимостей К1(Т) и MS(T). На рис. 2 приведены рентгеновские спектры пленочной структуры Ge/Fe после отжига при температуре 350 °С, 550 °С и 700 °С. При температурном отжиге свыше 300 °С происходит возникновение и рост отражений от в - Fe1,6Ge(101) и в - Fe^Ge(202) (рис. 2, а), что говорит о формировании ориентированной в -Fe16Ge(101) фазы в продуктах реакции. Фаза в -Fe16Ge продолжает расти до температур отжига порядка 550 °С, при последующих отжигах рост пиков этой фазы не наблюдается. Фаза в - Fe16Ge является немагнитной и имеет гексагональную кристаллическую решетку. При температуре отжига выше 550 °С отражения новой фазы Fe3Ge (рисунок 2б) идет с об-