Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2021, № 12, стр. 35-39

ВВЕДЕНИЕ

Органические катион-радикальные квазидвумерные проводящие соли на основе BEDT-TTF обладают целым рядом особенностей [1–9], которые делают их привлекательными объектами как для физиков, исследующих сильнокоррелированные системы, так как для химиков, поскольку позволяют направленно применять принципы блочного конструирования и кристаллохимической инженерии. По ряду признаков органические сверхпроводники родственны высокотемпературным сверхпроводникам (ВТСП) как в нормальном, так и в сверхпроводящем состояниях [10, 11].

Катион-радикальную соль κ-(BEDT-TTF)₄Hg_2.89Br₈ можно выделить отдельно среди остальных солей органического донора BEDT-TTF, поскольку при атмосферном давлении она является единственным известным допированным сверхпроводником в данном классе соединений, что роднит ее с ВТСП.

Основой успешной стратегии синтеза сверхпроводящей фазы κ-HgBr является применение метода контролируемого тока вместо обычно используемого метода постоянного тока.

В настоящей работе обсуждаются результаты измерений сопротивления, динамической магнитной восприимчивости и поверхностного импеданса монокристаллов κ-HgBr, в которых сильные электронные корреляции сосуществуют со слабым допированием, связанным с несоразмерностью решетки, что указывает на глубокую физику процесса электронного транспорта, требующую детального изучения.

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Транспортные свойства соединения κ-HgBr мы исследовали тремя методами: были проведены измерения температурных зависимостей сопротивления поперек проводящих слоев, а также измерения динамической магнитной восприимчивости и поверхностного импеданса в проводящих плоскостях.

Измерения сопротивления выполняли в температурном интервале 0.5 K <T < 200 К. Образцы имели форму тонкой пластинки с характерными размерами a × b × c ≈ 0.5 × 0.5 × 0.1 мм. Электрическая проводимость в этих соединениях является анизотропной: высокопроводящими являются ab-плоскости, а низкая проводимость имеет место у транспорта поперек этих слоев вдоль оси c.

Сопротивление образца было измерено по стандартной четырехконтактной схеме с помощью синхронного усилителя на частоте 20 Гц. Для получения омических контактов мы использовали угольный клей. Измерения проводили в геометрии Монтгомери, при этом ток протекал вдоль оси c, падение напряжения измерялось также вдоль этой оси [12, 13].

На рис. 1 представлены результаты измерений температурной зависимости ρ_с. Как и в других органических проводниках, при высокой температуре с понижением температуры сопротивление растет (демонстрирует диэлектрический ход), а начиная с T = 11 К падает до тех пор, пока при T_c = 3.1 К не происходит переход в сверхпроводящее состояние. Ширина сверхпроводящего перехода составляет ~0.5 К.

Рис. 1.

Температурная зависимость поперечного сопротивления ρ_с(T). На вставке – изображение сверхпроводящего перехода в логарифмическом масштабе оси сопротивления.

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ДИНАМИЧЕСКОЙ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ

Измерения динамической магнитной восприимчивости образцов χ проводили на частоте 100 кГц в диапазоне температур от 1.2 до 100 К [14]. Образец помещали в центр пары коаксиальных катушек диаметром 3 мм, одна из которых служит для возбуждения переменного магнитного поля, а другая используется для измерения. Применяя стандартную схему синхронного детектирования, измеряли напряжение на одной из катушек. Этот сигнал пропорционален магнитному моменту М = χVh, где h ≈ 0.1 Э – амплитуда магнитного поля, создаваемого катушкой, а V – объем образца. Мы помещали образцы в систему так, что вызываемые переменным магнитным полем экранирующие токи возникали в ab-плоскостях. С помощью образца из ниобия мы дополнительно проверили, что отклик от κ-HgBr именно диамагнитный. Результат измерения представлен на рис. 2. Видно, что начиная с Т = 3.1 К магнитной восприимчивости уменьшается, но резкое увеличение экранировки происходит только с Т = 2.3 К. Кривая поглощения динамической восприимчивости χ' имеет максимум также при Т = 2.3 К. Ширина изменения восприимчивости составляет ~1 К.

Рис. 2.

Температурная зависимость обеих компонент динамической магнитной восприимчивости.

Таким образом, согласно результатам измерений сопротивления и динамической магнитной восприимчивости, соединение κ-HgBr обладает наличием сверхпроводящего состояния при температуре ниже T_c = 3.1 К с шириной перехода около 1 К. Такой широкий переход может быть связан как с нестехиометрией образца, так и с пространственной неоднородностью κ-фазы.

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО ИМПЕДАНСА

Нами впервые были измерены обе компоненты поверхностного импеданса в ab-плоскостях сверхпроводящих кристаллов κ-(BEDT-TTF)₄Hg_2.89Br₈ с критической температурой T_c≈ 3 К в интервале температур 0.5 К < T < 50 К в миллиметровом диапазоне длин волн. Для измерений данным методом использовали два образца, которые имели форму приблизительно прямоугольных тонких пластинок с размерами a × c × b ≈ 0.5 × 0.5 × 0.1 мм. Поверхностный импеданс Z_s(T) = R_s(T) + iX_s(T) измерялся методом “hot finger” на частоте f = = 28.2 ГГц [15]. Действительная часть поверхностного импеданса называется поверхностным сопротивлением R_s и пропорциональна потерям электромагнитного поля в образце. Мнимая часть (реактанс X_s) пропорциональна запасенной недиссипативной энергии электромагнитного поля внутри образца. В эксперименте мы непосредственно измеряем потери электромагнитного поля в образце по изменению добротности резонансной системы, что прямо пропорционально поверхностному сопротивлению R_s образца. Также измеряется изменение объема электромагнитного поля в резонансной системе по изменению резонансной частоты, но это изменение зависит не только от изменения реактанса образца ΔX_s, но и от изменения объема образца, вызванного температурным расширением. Образцы устанавливали на торец сапфирового стержня так, чтобы ось c кристалла была направлена вдоль микроволнового магнитного поля, при этом высокочастотные токи протекали в ab-плоскостях кристалла.

Как следует из рис. 3, 4, в температурном интервале 15 К ≤ T ≤ 50 K у обоих образцов кривые поверхностного сопротивления R(T) и изменения реактанса ΔX(T) имеют одинаковый вид и могут быть совмещены R(T) = X(T), что соответствует условию нормального скин-эффекта [16]. В температурном интервале 3 К ≤ T ≤ 15 K происходит уменьшение импеданса, причем между образцами появляется существенная разница – поверхностное сопротивление образца 1 меняется в 10 раз, а образца 2 – только в 2 раза. Кроме этого, у обоих образцов поверхностное сопротивление перестает быть равным измеренному изменению ΔX(T). Возможно, такое расхождение может быть связано с положительным тепловым расширением кристаллов, приводящим к увеличению измеряемой величины ΔX(T) [17]. В температурном интервале 0.5 К ≤ T ≤ 3 K температурная зависимость поверхностного импеданса в обеих образцах различна.

Рис. 3.

Температурная зависимость поверхностного импеданса Z = R + iX образца 1. На вставке – пример температурной зависимости поверхностного импеданса классического сверхпроводника, в данном случае алюминия.

Рис. 4.

Температурная зависимость поверхностного импеданса Z = R + iX образца 2.

На рис. 5 представлены температурные зависимости R(T) и ΔX(T) в образце 1, причем изменение реактанса сдвинуто для лучшего визуального восприятия. В отличие от типичного случая (на вставке к рис. 3 показан сверхпроводящий переход алюминия), особенность на кривой R(T) при T_c ≈ 3.1 К в практически не заметна, а в зависимости ΔX(T) вообще не видна. На вставке (рис. 5) показана dR(T)/dT – температурная зависимоcть производной R(T), для которой особенность вблизи сверхпроводящего перехода выражена гораздо отчетливее. Вероятнее всего, такой плавный переход от нормального в сверхпроводящее состояние связан с пространственной неоднородностью образца, при этом заметим, что и динамическая восприимчивость менялась также довольно плавно.

Рис. 5.

Температурная зависимость поверхностного импеданса образца 1 в области сверхпроводящего перехода. На вставке – температурная зависимоcть первой производной R(T).

Как и для других органических сверхпроводников [18, 19], для соединения κ-Hg характерно высокое значение остаточного поверхностного сопротивления R(0 К) ~ R(T_c)/10, тогда как в классических сверхпроводниках R(0 К) = 0. Если воспользоваться стандартной для однородных образцов процедурой обработки низкотемпературной части R(T) при T < T_c/3, то интерполяция степенным полиномом наилучшая при R(T) ~ T  ³, а такая температурная зависимость не позволяет однозначно определить параметр порядка в сверхпроводнике. При этом низкотемпературную часть графика можно аппроксимировать характерной для s-типа параметра порядка экспоненциальной БКШ-зависимостью, но в результате получается нереальное значение сверхпроводящей щели Δ_s = 3 К.

В образце 2 с понижением температуры начинается рост поверхностного импеданса, поверхностного сопротивления и реактанса. Такое поведение совершенно нетипично для сверхпроводящего перехода. В классических сверхпроводниках у реактанса X(T) ниже Т_с бывает небольшой пик, но этот пик должен быть гораздо уже наблюдаемого нами, а также при этом R(T) с понижением температуры убывает. Похожая зависимость реактанса ранее наблюдалась в монокристаллах необычного p-волнового сверхпроводника Sr₂RuO₄ [20]. Но поверхностное сопротивление в Sr₂RuO₄ также ведет себя иначе, чем в образце 2. Для Sr₂RuO₄ такие температурные зависимости импеданса были объяснены только с дополнительным привлечением поверхностных состояний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе представлены транспортные свойства слоистого органического сверхпроводника κ-(BEDT-TTF)₄Hg_2.89Br₈ (κ-HgBr). Несоразмерность решетки этого материала роднит его с семейством ВТСП, что вызывает повышенный интерес к физическим свойствам κ-HgBr. Результаты измерений сопротивления и динамической магнитной восприимчивости продемонстрировали наличие сверхпроводящего состояния при температуре ниже T_c = 3.1 К с шириной перехода около 1 К. Результаты измерения температурной зависимость поверхностного импеданса Z(T) = = R(T) + iX(T) нескольких образцов на частоте 28 ГГц в температурном интервале от 0.5 К до 50 К оказались необычными. У исследованных образцов при T < 3 K не наблюдалось резкое изменение Z(T), что не характерно ни для органических сверхпроводников, ни для ВТСП.