High-Tc szupravezetk vizsglata NMR spektroszkpivalEladk:Kocsis VilmosSzaller DvidBudapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi EgyetemFizika TanszkOptikai spektroszkpia szeminrium, 2012 mrcius 8.

*Tartalom NMR alapok

Fmek s szupravezet anyagok karakterisztikus NMR tulajdonsgai

d-sv fmek (V3X) s II. SC-k, p-wave SC

Fontosabb kuprt szupravezetk s tulajdonsgaik, fzisdiagramjuk, NMR tulajdonsgaik

*900 MHz, 21.2T NMR Magnet at HWB-NMR, Birmingham, UKNMR / NQR ismtls / gyorstalpal

*Relaxcis idk mrse Spin-echo: T2 mrse (skbeli relaxci) T1 mrse: impulzusok fordtott sorendben, free induction decayA T1 paramter: Magspin s rcs kzti energiacsert jellemzi (kzvett az e- felh) Energiacsere => lass folyamat, ltalban T1>T2

*Shift tenzor (mgneses klcsnhats) Elektromos kvadrupl klcsnhats

NQR tenzor:Anizotrpia tag (mennyire tr el egy forgsi ellipszoidtl):(- ) tmenet msodrendben:

Ez pormintra:Nuclear Quadrupole Resonance

*A shift-tenzor: A szuszceptibilits komponensei vizsglhatk

A mgneses trben lineris

ltalban skalrral kzelthet: Referencihoz kpest trtn vltozsokat vizsgljuk.PlyaDiplKontakt Effektv mgneses tr:Eltoldse- s mag mgneses klcsnhatsa

*e- s mag mgneses klcsnhatsaPlyaDiplKontakt ltalban zrt hjak jrulka 0

Kontakt klcsnhats csak s karakter elektronokra

Plya: kmiai shift, ltalban paramgneses, de s elektronokra diamgneses eltolds, nem felttlen egyezik meg a szuszceptibilitsval

Kbs szimmetria: dipltag eltnik

Mn++: 5 d elektron, gmbszimmetria, nem vrunk HF eltoldstde jelents eltolds mrhet

sp-sv fmek s I. SC-k NMR tulajdonsgai*J fmekBloch-fggvny:rossz fmek, gyakranMott-szigetelk, AFMKnight-shift:sp-sv fmekre: jval ersebb, mint a dipl klcsnhats a Korringa-relci sszekti a Knight-shiftet s T1-et csak termszeti llandk jelennek meg ez gy csak szabad elektron gzra igaz nem pontos e-e klcsnhats:

vezetsi elektronokratlagols a Fermi-felletre trtnik

*Szupravezetk NMR-je I. SC. A nagy mgneses teret csak a felleten lv magok rzik mrs szemcsken, filmen relaxci mrse: mgneses trben, de a relaxls idejre a teret kikapcsoljk Kvzirszecskk gerjesztsi spektruma gapelt, a szuszceptibilits a BCS-elmlet alapjn 0-hoz tart (Yosida-fggvny)

Hg, Pb, Sn : vges K T=0-n Yosida nem veszi figyelembe a spin-plya klcsnhats miatti szrst Akkor jelents, ha nehz magok s szennyezk / fellet exponencilis cskkensSzupravezet llapotsrsgCooper-pr impulzusmomentuma

*

mag mgneses momentumra: mm1 klcsnhat elektronokra:

SC-ben az elektronok egy rsze Cooper-prokban van, nem szrdnak. Az sszegzsben koherencia faktor:

idtkrzsre invarins szr perturbci (fononok) esetn: C- nem invarins (elektromgneses sugrzs, mgneses dipl klcsnhats): C+ llapotsrsg:

Relaxcis id:

Logaritmikus szingularits, feltevsvel feloldhat, koherenciacscs -nl exponencilis lecsengs kis T-re Dpols hatsra a koherencia cscs megnhet, ha lecskken az tlagos szabad thossz. (Piszkos SC-k elmlete) A szrsi folyamat sorn keverednek a Bloch llapotok a Fermi-fellet klnbz pontjain. Nemkonvencionlis szupravezetkben ltalban nincs koherencia cscs

T1 szrsi folyamat

* BCS gap paramter:

Cooper-pr hullmfggvnye

Szinglet elektronprra:

Az elektronprt ltrehoz vonzs:

A klcsnhats szimmetrija tkrzdik a hullmfggvnyben s -ban Triplettre g pratlan fggvnye k-nak YBCO: lncok vagy skok? pl: d-hullm Josephson effektus

Introduction to Superconductivity: Second EditionAUTHOR: Michael TinkhamPublication Date: June 2004ISBN: 0486435032 or 9780486435039

d hullm szupravezetk

*II. SC, vortexrcs s-hullm szupravezetkben hromszgrcs (l=0) d-hullm szupravezetkben ngyzetes (l=2)Masanori Ichioka, Akiko Hasegawa, Kazushige Machida, "Field dependence of the vortex structure in d-wave and s-wave superconductors", Phys. Rev. B 59 (1999) 8902-8916.

*d-sv fmek (V3X) s II. SC-kAz sp-hjakon kvl nylt d-hj, nagy DOS, kristlytr (L=0), mgnesesen nem rendezdket vizsgljuknincs direkt kontakt tagalacsony T-n majdnem mindig II-od faj SC-k, vortex llapottal (rcs, folyadk, ...)

Anizotrp csatols:

>>Vortexek MOKE mikroszkpivalIndirekt mdon hatnak klcsn a nem zrt d-hj spinjei a maggal (Coulomb, s-hjak sszbb mennek, anizotrpia), ez a mag polarizci: CPPlda: plya-kcsh tag:

Az effektv tr a mag helyn:

A shift:Persze egy fmben:

*A Fermi felletet kt svval modellezik:sp-svok, melyeket fleg tmeneti fm svjai adnakd-svok (kizrlag tmeneti fm) + ligand p-svok hibridizcija

A hmrsklet, mint implicit paramter megadja a hmrsklet fgg tagot a K grafikonon, mrsekbl a meredeksgek adjk meg a paramtereket.

Spin-rcs relaxci: (nincs SO, Hartree-Fock megoldsok, kbs fm, itt is tbb tag)nincs Knight-shiftjed-svok plyamomentumadiaspinplyad-spinmag polarizci tagVortex rcs llapot hatsai:

mrs: kapcsols nagy s kis (>nagykicsivortex mrete

*Vortex rcs llapot hatsai:

mrs: kapcsols nagy s kis (>nagykicsi51Vnagykicsi

*T1 tulajdonsgai:a koherencia cscs trfgg, bizonyos terek felett eltnik (V3X X=Ga, Si, Pt, Ge)T1 hmrskletfggse fgg a tr nagysgtl is

p-wave SC*Sr2Ru17O4Nincs koherencia cscsNem-mgneses szennyezk lenyomjk a Tc-t

HTc - Kuprt szupravezetk*BCS elmletMg nincs elfogadott elmlet a SC-re kuprtokban.SCCooper-prokEffektv vonz kcsh. Az e--ok kztte-e klcsnhatsA fononok kzvettsvel(gyenge kcsh., kis Tc~40K)HTc SC-k:- rteges szerkezet, Cu-O skok Mott-szigetel - AFM rendezds, skok kztt gyenge csatols - tltshordoz koncentrci (dpols, klnbz technikk, mechanizmusok)La2-xSrxCuO4=LSCO:xYBa2Cu3O7-x=YBCO7-xYBa2Cu4O8=Y248

*LSCO:x, max{Tc}~40KPerovszkit szerkezeth+ CuO2 skokban, ram is itt folyik, 3d O2- p hibridizci flig tlttt hly (U~10eV) -> Mott szigetel (Tc felett is rossz fm)Dpols: La3+ -> S2+ szubsztitci (Zhang-Rice kp)Optimaly doped: x=0.15

TN=325K

*YBCO7-x, max{Tc}~92KTbb szomszdos CuO2 sk, eltr viselkedsvkuum llapota x=1 (nincs O a Cu(1) skokban)Optimaly doped: x=0.1A dpols rcstorzulst okoz

Fizikai modellek:*A t-J modell:J~0.15eVKvzirszecskk, J svszlessggel

Zhang-Rice szinglettek:Mobil h+ + lokalizlt Cu2+ lyukak -> itinerns szinglett llapotMegfigyelve YBCO7-en (Knight shift s T1)

Mila-Rice-Shasky modellMonien-Pines

*YBCONMR aktv ionok: 63Cu, 65Cu, 89Y, szennyezhet 17O-val, dominns HTc lett, mert knny vizsglni (random por minta)nincs koherencia cscs, T1 nvekedse kiemelkeden nagy, a Gap tl nagy a BCS modell alapjn, ms elmlet rja le, mint a d-sv fmeketNQR: 4 vonal, az anizotrpit csak kvadrupol mrsekbl nem tudtk kiszmolniA kt Cu alrcs viselkedse eltr; Cu(2) ->Y, Cu(1) -> Korringa szer (d-wave-ra tipikusan jellemz viselkeds!)

Cu(1)Cu(2)

*YBCONMR aktv ionok: 63Cu, 65Cu, 89Y, szennyezhet 17O-val, dominns HTc lett, mert knny vizsglni (random por minta)nincs koherencia cscs, T1 nvekedse kiemelkeden nagy, a Gap tl nagy a BCS modell alapjn, ms elmlet rja le, mint a d-sv fmeketNQR: 4 vonal, az anizotrpit csak kvadrupol mrsekbl nem tudtk kiszmolniA kt Cu alrcs viselkedse eltr; Cu(2) ->Y, Cu(1) -> Korringa szer (d-wave-ra tipikusan jellemz viselkeds!)

Cu(1)Cu(2)referenciaeltnik a Pauli paramgnessgx=0.4-ig a shiftet a 89Y3+ 4d-hlyainak hibridizcija befolysolja a CuO2 sk llapotaival (dK/d csak kicsivel kisebb, mint ha a mag teljes polarizltsgbl fakadna).T1-ben anizotrpit figyeltek meg (Cu(2) esetn):Modell: fluktul lokalizlt Cu momentumok s spin Hamilton opertor, melyben T

*Mila-Rice-Shastry modellloklis kp hibs, nem egy-site klcsnhatstbb tag is van a Hamiltonban, melyek a c tg. irnyban kioltjk egymst, de a fluktucik megmaradnakCu2+ lyukak kvantum folyadka, melyek a HF-at adjk, hibridizci az O2+ 2p s Y3+ 4d ionok plyival (1/T1 eltnse ezt igazolja)A, B, C, D egytthatk...

mindegyik tagban megjelenik a Cu2+ alrcs itinernsan rendezett Si spinje -> kiemelhetaz egyes alrcsok magjainak szuszc-a kln is kezelhet: 17O magspin kcsh-a a d-svval2db Cu(2) szomszd89Y magspin kcsh-a a d-svval8db Cu(2) szomszdCu(1) magspin kcsh.-a sajt e--okkal...s a n.n. Cu-kal

*csak a Cu shiftje:SO paramtereksrletileg = 1.61Kvantum kmia: hopping bevezetsetight-binding modell

Wannier-fggv. Cu(2):

*Csak a Cu(2) magspinekre (effektv pot.):Csatolsi llandk:Relaxcis idk:Ksrlet:Korrel. fggv:

*becslt gapfotoemisz-szival mrtd-wave modell:fluktuci disszipci ttel:

Monien Pines:RPA mdszerek:energia gap bevezetse, d-szimmetriallapotsrsg

*d-wave modell:fluktuci disszipci ttel:

Monien Pines:RPA mdszerek:energia gap bevezetse, d-szimmetriallapotsrsgAPRESBi2212

*d-wave modell:fluktuci disszipci ttel:

Monien Pines:RPA mdszerek:energia gap bevezetse, d-szimmetriaJosephsonmrsek: pseudogapllapotsrsg

*d-wave modell:fluktuci disszipci ttel:

Yoshida-fggvny:

Nincs koherencia cscsnagy gap, ers 1/T esst okoz1/T1~T3 fggs kzepes T-reklnbsd NMR s NQR spektrumok kztteredmnyes lers (persze ettl mg nem rtik tisztn)

*Heavy fermion -> nem a rcs adja az effektv kcsh.-t

*2012-mg most sincs univerzlis elmlet a HTc mintk mgtt. Az SC ezen mintk dpolt CuO2 skjaiban lp fel.Cu-3d s O-2p hibridizci -> szuperkicserlds Jin~0.12eV~(1300K)AFM HTSC kapcsolat vizsglata kulcsfontossg

rtegek szmnak vltoztatsaNagy nyoms szintzis technikaMBa2Can-1CunO2n+2+M=(Hg, Tl, Cu)BaCan-1CunO2n(FyO1-y)2CRL tlts tartlyOP kls sk (piramis)IP bels sk

Az alapllapoti fzisdiagram jl egyezik a t-J modellvel s az ers korrelcij Hubbarddal.

M12(n-1)n02(n-1)nF

*NMR/NQR:Site-szelektv: az adott vonalat tulajdonsgai alapjn azonostjkn nvelsvel a vonalvastagsg cskken (egyre kevsb deformltabb rtegek, homognebb elektromos tr a skok helyn, homognebb dpols) -> idelis CuO2 skMila-Rice:

*

*Fmes AFM (AFMM), p~0.1-igoptimlis dpols: p~0.16a pseudogap fzis nem jelenhet meg AFMM mellett

n=1 spin veg fzis

*Nagy szuperkicserldsi kcsh. (Cu-Cu): Jin~1300K2D-s rendszer -> nincs hossztv rend vges T-n, az AFMM fzis stabilitsa n fggeffektv csatols c mentn: J(n)

*

*

*