Введение к работе
Актуальность темы. На сегодняшний день одним из наиболее важных направлений исследований является изучение возможности использования квантовых битов (кубитов) на основе высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) в качестве элементарной базы для построения квантового компьютера. В связи с этим становится очень актуальным вопрос о влиянии примесей и дефектов на свойства ВТСП, поскольку он напрямую связан с проблемой потери когерентности при работе квантового компьютера. Как известно, одной из отличительных особенностей ВТСП является сильная чувствительность параметра порядка А и критической температуры Тс к примесям и к радиационным дефектам. Как показали эксперименты, Тс ВТСП более чем на порядок чувствительнее к примесям и дефектам, чем Тс низкотемпературных сверхпроводников (НТСП).
Имеющаяся на сегодня теория, основанная на формализме Абрикосова — Горькова [А А. Абрикосов, Л. Р. Горьков - ЖЭТФ, 1958, в. 35, стр. 1558 ; 1959, в. 36, стр. 319 ; 1960, в. 39, стр. 1781], успешно применявшемся ранее для описания НТСП, не смогла объяснить имеющиеся экспериментальные данные для ВТСП. Многочисленные эксперименты свидетельствуют о намного более слабом влиянии примесей на Тс, чем следует из данной теории. Отсутствие понимания механизма воздействия примесей и дефектов на ВТСП тормозит прогресс в области создания сверхпроводниковых кубитов, и существенно ограничивает возможность предварительного расчета характеристик проектируемых устройств на основе ВТСП.
В данном случае одной из трудностей является отсутствие микроскопической теории описывающей сверхпроводимость в ВТСП. Используемые в настоящее время теоретические подходы были разработаны для низкотемпературных 5-волновых сверхпроводников. Между тем, ВТСП отличаются рядом особенностей, например, чрезвычайно малой длиной когерентности, что требует точного учета пространственного изменения параметра сверхпроводящего порядка вблизи неоднородностей.
РОС. НАЦИОНАЛЬНА* і БИБЛИОТЕКА 1
э sntm
На наш взгляд, причиной, по которой теория Абрикосова — Горькова
терпит неудачу в случае ВТСП, является наличие ряда приближений, справедли
вых в случае НТСП, но не применимых к ВТСП. Например, одним из приближе
ний, которое делается при выводе уравнения Абрикосова - Горькова для Тс, яв
ляется допущение о пространственной однородности параметра сверхпроводя
щего порядка в разупорядоченном сверхпроводнике. Оно перестает рабо
тать в случае сверхпроводников с малой длиной когерентности. Здесь следует
отметить, что при учете неоднородности аналитическое решение соответст
вующих уравнений в сверхпроводнике с примесями отсутствует. В данном слу
чае особую актуальность приобретают численные методы моделирования влия
ния примесей и дефектов на ВТСП, позволяющие избавиться от многих допуще
ний и получить надежные результаты.
Цель работы — теоретическое исследование влияния примесей и дефектов на характеристики сверхпроводников с малой длиной когерентности.
Научная новизна результатов:
- в широком диапазоне значений параметров модели Хаббарда с притя
жением на узле и диагональным атомным беспорядком проведены численные
расчеты критической температуры сверхпроводящего перехода, параметра
сверхпроводящего порядка и отклика сверхпроводника на приложенное внешнее
магнитное поле. Сделан вывод о необходимости учета пространственной неод
нородности параметра сверхпроводящего порядка при расчете критической тем
пературы разупорядоченного сверхпроводника с малой длиной когерентности;
- показано, что критическая температура сверхпроводника с изотропной
волновой симметрией параметра сверхпроводящего порядка может повышать
ся при разупорядочении;
- исследовано влияние примесей и дефектов на критическую темпера
туру сверхпроводников с волновой симметрией параметра сверхпроводящего
порядка. Показано, что учет неоднородности параметра сверхпроводящего по
рядка позволяет объяснить наблюдаемое на эксперименте более слабое воздей-
ствие беспорядка на критическую температуру, чем это следует из теории Абрикосова - Горькова, а также квазилинейную зависимость критической температуры от остаточного удельного электросопротивления. Показано также, что приведенная критическая температура Тс1Тсо, где Тсо - критическая температура в отсутствие примесей, не является универсальной функцией параметра 1/гТсо, где т - время релаксации носителей на немагнитных примесях, что позволяет понять различное поведение TJTco в разных ВТСП при разупорядочении;
- изучено влияние атомного разупорядочения на изотопический эффект сверхпроводников с различной симметрией параметра порядка. Показано, что экспериментальные данные по воздействию примесей и дефектов на коэффициент изотопического эффекта в ВТСП может быть объяснен наличием у примесей магнитных моментов и отличием симметрии параметра сверхпроводящего порядка от волновой.
Практическая ценность работы:
Полученные результаты дополняют современные теоретические представления о ВТСП, способствуют лучшему пониманию механизма воздействия примесей и дефектов на ВТСП.
Разработанные в диссертации численные алгоритмы могут быть использованы для расчета характеристик приборов на основе сверхпроводников с произвольной симметрией параметра порядка, в том числе квантовых вычислительных устройств на основе сверхпроводниковых кубитов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
-
Разработка численного алгоритма решения самосогласованной системы уравнения Боголюбова — Де Жена для разупорядоченного сверхпроводника с пространственной неоднородностью параметра сверхпроводящего порядка.
-
Расчет критической температуры изотропного волнового сверхпроводника с малой длиной когерентности с учетом пространственной неоднородности параметра сверхпроводящего порядка при разупорядочении. Предсказание возможность увеличения критической температуры при разупорядочении.
-
Расчет критической температуры -волнового сверхпроводника при разупорядочении с учетом пространственной неоднородности параметра сверхпроводящего порядка. Объяснение экспериментально наблюдаемого более медленного снижения критической температуры высокотемпературных сверхпроводников при воздействии примесей и дефектов по сравнению с предсказаниями теории Абрикосова - Горькова. Объяснение квазилинейной зависимости критической температуры от концентрации дефектов. Объяснение неуниверсального характера деградации критической температуры при разупорядочении.
-
Расчет коэффициента изотопического эффекта в присутствие магнитных и немагнитных примесей с учетом пространственной неоднородности параметра сверхпроводящего порядка. Объяснение экспериментальных данных по влиянию примесей на коэффициент изотопического эффекта в высокотемпературной сверхпроводящей системы лантана.
Апробация диссертационной работы:
Изложенные в диссертации результаты докладывались на третьей международной конференции "Physics of low - dimenshional structures - 3" (октябрь 2001 г., Черноголовка), на первой международной конференции «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» (октябрь 2004 г., Москва-Звенигород), а также на Научных сессиях МИФИ в 1999, 2000, 2001, 2003 и в 2004 годах. Отдельные результаты докладывались и обсуждались в Физико-технологическом институте РАН, на семинаре по квантовым компьютерам, руководимом К. А. Валиевым.
По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ (включая тезисы докладов).
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит из введения и обзора литературы, трех глав, заключения и трех приложений. Общий объем - 136 страниц, включая 54 рисунка, 1 таблицу и список цитируемой литературы из 158 наименований.
