Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

High-Tc szupravezetők vizsgálata NMR spektroszkópiával Előadók: Kocsis Vilmos Szaller Dávid Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszék.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "High-Tc szupravezetők vizsgálata NMR spektroszkópiával Előadók: Kocsis Vilmos Szaller Dávid Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszék."— Előadás másolata:

1 High-Tc szupravezetők vizsgálata NMR spektroszkópiával Előadók: Kocsis Vilmos Szaller Dávid Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszék Optikai spektroszkópia szeminárium, 2012 március 8.

2 2 Tartalom NMR – „alapok” Fémek és szupravezető anyagok karakterisztikus NMR tulajdonságai d-sáv fémek (V3X) és II. SC-k, p-wave SC Fontosabb kuprát szupravezetők és tulajdonságaik, fázisdiagramjuk, NMR tulajdonságaik

3 3 900 MHz, 21.2T NMR Magnet at HWB-NMR, Birmingham, UK NMR / NQR – „ismétlés” / gyorstalpaló Információtartalom: rezonancia helye, eltolódása vonalszélesség jelalak relaxációs idők Topológia, dinamikai tulajdonságok és struktúra felderítése Páratlan p + -t vagy / és páratlan n 0 -t tartalmazó izotópoknak van jelük: 1 H, 2 H, 3 He, 15 N, 17 O, 63 Cu, 65 Cu, 89 Y,... Forrás: R.E. Walstedt, The NMR Probe of High-Tc Materials, STMP 228 (Springer, Berlin Heidelberg 2008) Jacques Winter, Magnetic resonance in metals (International series of monographs on physics), Clarendon Press, 1971 Wikipedia

4 4 Relaxációs idők mérése Spin-echo: T 2 mérése (síkbeli relaxáció) T 1 mérése: impulzusok fordított sorendben, free induction decay A T 1 paraméter: Magspin és rács közti energiacserét jellemzi (közvetítő az e - felhő) Energiacsere => lassú folyamat, általában T 1 >T 2

5 5 Shift tenzor (mágneses kölcsönhatás) Elektromos kvadrupól kölcsönhatás NQR tenzor: Anizotrópia tag (mennyire tér el egy forgási ellipszoidtól): (-½ ½) átmenet másodrendben: Ez pormintára: e Nuclear Quadrupole Resonance

6 6 A shift-tenzor: A szuszceptibilitás komponensei vizsgálhatók A mágneses térben lineáris Általában skalárral közelíthető: Referenciához képest történő változásokat vizsgáljuk. Pálya Dipól Kontakt Effektív mágneses tér: Eltolódás e - és mag mágneses kölcsönhatása

7 7 Pálya Dipól Kontakt Általában zárt héjak járuléka 0 Kontakt kölcsönhatás csak s karakterű elektronokra Pálya: kémiai shift, általában paramágneses, de s elektronokra diamágneses eltolódás, nem feltétlen egyezik meg a szuszceptibilitásával Köbös szimmetria: dipóltag eltűnik Mn ++ : 5 d elektron, gömbszimmetria, nem várunk HF eltolódást de jelentős eltolódás mérhető

8 sp-sáv fémek és I. SC-k NMR tulajdonságai 8 Jó fémek Bloch-függvény: rossz fémek, gyakran Mott-szigetelők, AFM Knight-shift: sp-sáv fémekre: jóval erősebb, mint a dipól kölcsönhatás a Korringa-reláció összeköti a Knight-shiftet és T 1 -et csak természeti állandók jelennek meg ez így csak szabad elektron gázra igaz nem pontos e-e kölcsönhatás: vezetési elektronokra Átlagolás a Fermi-felületre történik

9 9 Szupravezetők NMR-je I. SC. A nagy mágneses teret csak a felületen lévő magok érzik mérés szemcséken, filmen relaxáció mérése: mágneses térben, de a relaxálás idejére a teret kikapcsolják Kvázirészecskék gerjesztési spektruma gapelt, a szuszceptibilitás a BCS- elmélet alapján 0-hoz tart (Yosida-függvény) Hg, Pb, Sn : véges K T=0-n Yosida nem veszi figyelembe a spin-pálya kölcsönhatás miatti szórást Akkor jelentős, ha nehéz magok és szennyezők / felület exponenciális csökkenés Szupravezető állapotsűrűség Cooper-pár impulzusmomentuma

10 10 mag mágneses momentumra: mm±1 kölcsönható elektronokra: SC-ben az elektronok egy része Cooper-párokban van, nem szóródnak. Az összegzésben koherencia –faktor: időtükrözésre invariáns szóró perturbáció (fononok) esetén: C - nem invariáns (elektromágneses sugárzás, mágneses dipól kölcsönhatás): C + állapotsűrűség: Relaxációs idő: Logaritmikus szingularitás, feltevésével feloldható, koherenciacsúcs -nél exponenciális lecsengés kis T-re Dópolás hatására a koherencia csúcs megnőhet, ha lecsökken az átlagos szabad úthossz. (Piszkos SC-k elmélete) A szórási folyamat során keverednek a Bloch állapotok a Fermi-felület különböző pontjain. Nemkonvencionális szupravezetőkben általában nincs koherencia csúcs Koherencia csúcs, I. fajú SC-k jellegzetes tulajdonsága exponenciális Al T 1 szórási folyamat

11 11 BCS gap paraméter: Cooper-pár hullámfüggvénye Szinglet elektronpárra: Az elektronpárt létrehozó vonzás: A kölcsönhatás szimmetriája tükröződik a hullámfüggvényben és -ban Triplettre g páratlan függvénye k -nak YBCO: láncok vagy síkok? pl: d-hullám Josephson – effektus Introduction to Superconductivity: Second Edition AUTHOR: Michael Tinkham Publication Date: June 2004 ISBN: or d hullámú szupravezetők

12 12 II. SC, vortexrács s-hullám szupravezetőkben háromszögrács (l=0) d-hullám szupravezetőkben négyzetes (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)

13 13 d-sáv fémek (V 3 X) és II. SC-k Az sp-héjakon kívül nyílt d-héj, nagy DOS, kristálytér (L=0), mágnesesen nem rendeződőket vizsgáljuk nincs direkt kontakt tag alacsony T-n majdnem mindig II-od fajú SC-k, vortex állapottal (rács, folyadék,...) Anizotróp csatolás: >> Vortexek MOKE mikroszkópiával Indirekt módon hatnak kölcsön a nem zárt d-héj spinjei a maggal (Coulomb, s- héjak „összébb mennek”, anizotrópia), ez a mag polarizáció: CP Példa: pálya-kcsh tag: Az effektív tér a mag helyén: A shift: Persze egy fémben:

14 14 A Fermi felületet két sávval modellezik: sp-sávok, melyeket „főleg” átmeneti fém sávjai adnak d-sávok (kizárólag átmeneti fém) + ligand p-sávok hibridizációja A hőmérséklet, mint implicit paraméter megadja a hőmérséklet függő tagot a K – χ grafikonon, mérésekből a meredekségek adják meg a paramétereket. Spin-rács relaxáció: (nincs SO, Hartree-Fock megoldások, köbös fém, itt is több tag) nincs Knight-shiftje d-sávok pályamomentuma dia spin pálya d-spin mag polarizáció tag Vortex rács állapot hatásai: mérés: kapcsolás nagy és kis (> nagy kicsi vortex mérete

15 15 Vortex rács állapot hatásai: mérés: kapcsolás nagy és kis (> nagy kicsi 51 V nagy kicsi

16 16 T 1 tulajdonságai: a koherencia csúcs térfüggő, bizonyos terek felett eltűnik (V 3 X X=Ga, Si, Pt, Ge) T 1 hőmérsékletfüggése függ a tér nagyságától is

17 p-wave SC 17 Sr 2 Ru 17 O 4 Nincs koherencia csúcs Nem-mágneses szennyezők lenyomják a T c -t

18 HTc - Kuprát szupravezetők 18 BCS elmélet Még nincs elfogadott elmélet a SC-re kuprátokban. SCCooper-párok Effektív vonzó kcsh. Az e - -ok között e-e kölcsönhatás A fononok közvetítésével (gyenge kcsh., kis Tc~40K) HTc SC-k: - réteges szerkezetű, Cu-O síkok - Mott-szigetelő - AFM rendeződés, síkok között gyenge csatolás - töltéshordozó koncentráció (dópolás, különböző technikák, mechanizmusok) La 2-x Sr x CuO 4 =LSCO:x YBa 2 Cu 3 O 7-x =YBCO7-x YBa 2 Cu 4 O 8 =Y248

19 19 LSCO:x, max{Tc}~40K Perovszkit szerkezet h + CuO 2 síkokban, áram is itt folyik, 3d O 2- p hibridizáció félig töltött hély (U~10eV) -> Mott szigetelő (Tc felett is rossz fém) Dópolás: La 3+ -> S 2+ szubsztitúció (Zhang-Rice kép) Optimaly doped: x=0.15 T N =325K

20 20 YBCO7-x, max{Tc}~92K Több szomszédos CuO 2 sík, eltérő viselkedés „vákuum állapota” x=1 (nincs O a Cu(1) síkokban) Optimaly doped: x=0.1 A dópolás rácstorzulást okoz

21 Fizikai modellek: 21 A t-J modell: J~0.15eV Kvázirészecskék, J sávszélességgel Optimális dópolásnál: kis koncentrációjú szabad h + mozog az S=1/2 lokalizált spinek hátterében. Kicserélődéssel csatolt lok. momentumok + lyukak sávja (T< itineráns szinglett állapot Megfigyelve YBCO7-en (Knight shift és T1) Mila-Rice-Shasky modell Monien-Pines

22 22 YBCO NMR aktív ionok: 63 Cu, 65 Cu, 89 Y, szennyezhető 17 O-val, domináns HTc lett, mert könnyű vizsgálni (random por minta) nincs koherencia csúcs, T 1 növekedése kiemelkedően nagy, a Gap túl nagy a BCS modell alapján, más elmélet írja le, mint a d-sáv fémeket NQR: 4 vonal, az anizotrópiát csak kvadrupol mérésekből nem tudták kiszámolni A két Cu alrács viselkedése eltérő; Cu(2) ->Y, Cu(1) -> Korringa szerű (d-wave-ra tipikusan jellemző viselkedés!) Cu(1) Cu(2)

23 23 YBCO NMR aktív ionok: 63 Cu, 65 Cu, 89 Y, szennyezhető 17 O-val, domináns HTc lett, mert könnyű vizsgálni (random por minta) nincs koherencia csúcs, T 1 növekedése kiemelkedően nagy, a Gap túl nagy a BCS modell alapján, más elmélet írja le, mint a d-sáv fémeket NQR: 4 vonal, az anizotrópiát csak kvadrupol mérésekből nem tudták kiszámolni A két Cu alrács viselkedése eltérő; Cu(2) ->Y, Cu(1) -> Korringa szerű (d-wave-ra tipikusan jellemző viselkedés!) Cu(1) Cu(2) referencia eltűnik a Pauli paramág nesség x=0.4-ig a shiftet a 89 Y 3+ 4d-hélyainak hibridizációja befolyásolja a CuO 2 sík állapotaival (dK/dχ csak kicsivel kisebb, mint ha a mag teljes polarizáltságából fakadna). T 1 -ben anizotrópiát figyeltek meg (Cu(2) esetén): Modell: fluktuáló lokalizált Cu momentumok és spin Hamilton operátor, melyben T MR modell

24 24 Mila-Rice-Shastry modell lokális kép hibás, nem egy-site kölcsönhatás több tag is van a Hamiltonban, melyek a c tg. irányában kioltják egymást, de a fluktuációk megmaradnak Cu 2+ lyukak kvantum folyadéka, melyek a HF-at adják, hibridizáció az O 2+ 2p és Y 3+ 4d ionok pályáival (1/T 1 eltűnése ezt igazolja) A, B, C, D együtthatók... mindegyik tagban megjelenik a Cu 2+ alrács itineránsan rendezett S i spinje -> kiemelhető az egyes alrácsok magjainak szuszc-a külön is kezelhető: 17 O magspin kcsh-a a d-sávval 2db Cu(2) szomszéd 89 Y magspin kcsh-a a d-sávval 8db Cu(2) szomszéd Cu(1) magspin kcsh.- a saját e - -okkal...és a n.n. Cu-kal

25 25 csak a Cu shiftje: SO paramétere kísérletileg = 1.61 Kvantum kémia: hopping bevezetése tight-binding modell Wannier-fggv. Cu(2):

26 26 Csak a Cu(2) magspinekre (effektív pot.): Csatolási állandók: Relaxációs idők: Kísérlet: Korrel. fggv:

27 27 becsült gap fotoemisz -szióval mért d-wave modell: fluktuáció disszipáció tétel: Monien – Pines:RPA módszerek: energia gap bevezetése, d-szimmetria állapotsűrűség

28 28 d-wave modell: fluktuáció disszipáció tétel: Monien – Pines:RPA módszerek: energia gap bevezetése, d-szimmetria állapotsűrűség APRES Bi2212

29 29 d-wave modell: fluktuáció disszipáció tétel: Monien – Pines:RPA módszerek: energia gap bevezetése, d-szimmetria Josephson mérések: pseudogap állapotsűrűség

30 30 d-wave modell: fluktuáció disszipáció tétel: Yoshida-függvény: Nincs koherencia csúcs nagy gap, erős 1/T esést okoz 1/T 1 ~T 3 függés közepes T-re különbséd NMR és NQR spektrumok között eredményes leírás (persze ettől még nem értik tisztán)

31 31 Heavy fermion -> nem a rács adja az effektív kcsh.-t

32 még most sincs univerzális elmélet a HTc minták mögött. Az SC ezen minták dópolt CuO2 síkjaiban lép fel. Cu-3d és O-2pσ hibridizáció -> szuperkicserélődés J in ~0.12eV~(1300K) AFM HTSC kapcsolat vizsgálata kulcsfontosságú rétegek számának változtatása Nagy nyomású szintézis technika MBa 2 Ca n-1 Cu n O 2n+2+δ M=(Hg, Tl, Cu) BaCa n-1 Cu n O 2n (F y O 1-y ) 2 CRL – töltés tartály OP – külső sík (piramis) IP – belső sík Az alapállapoti fázisdiagram jól egyezik a t-J modellével és az erős korrelációjú Hubbarddal. M12(n-1)n 02(n-1)nF

33 33 NMR/NQR: Site-szelektív: az adott vonalat tulajdonságai alapján azonosítják n növelésével a vonalvastagság csökken (egyre kevésbé deformáltabb rétegek, homogénebb elektromos tér a síkok helyén, homogénebb dópolás) -> ideális CuO 2 sík Mila-Rice:

34 34

35 35 Fémes AFM (AFMM), p~0.1-ig optimális dópolás: p~0.16 a pseudogap fázis nem jelenhet meg AFMM mellett n=1 spin üveg fázis

36 36 Nagy szuperkicserélődési kcsh. (Cu-Cu): J in ~1300K 2D-s rendszer -> nincs hosszútávú rend véges T-n, az AFMM fázis stabilitása n függő effektív csatolás c mentén: J(n)

37 37

38 38


Letölteni ppt "High-Tc szupravezetők vizsgálata NMR spektroszkópiával Előadók: Kocsis Vilmos Szaller Dávid Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszék."

Hasonló előadás


Google Hirdetések