Содержание
Введение.
Глава 1. Литературный обзор.
1.1. Джозсфсоиовскнй тг-контакт сверхпроводник - ферромагнетик -сверхпроводник......................................................
1.2. Эксперименты по изучению тг-контактов 5^5-типа..................
1.3 Фазово-чувствительные эксперименты...............................
Глава 2. Приготовление образцов и методики эксперимента.
2.1. Приготовление ДОЗ-сэндвнчсй.....................................
2.2. Измерительные методики..........................................
Глава 3. Исследование джозефсоновских характеристик БЕБ
контактов.
3.1. Джозсфсоиовские характеристики и зависимость критического тока ЗЕБ-коитакта ог толщины ферромагнетика..............................
3.2. Наблюдение температурного 0 — тг перехода при разном составе ферромагн етика.....................................................
3.3. Обсуждение экспериментальных результатов при помощи микроскопической теории.............................................
Глава 4. Фазово-чувствительные эксперименты.
•1.1. Прямое наблюдение изменения знака токо-фазового соотношения при О — тт-переходе.....................................................
4.2. Наблюдение спонтанных вихревых состояний в распределенных 0 — тг контактах...........................................................
Заключение РОСиМііС;'.'
го сУГіГ+сшіша
Список Литературы £ИБЯьОТ£КД
Введение
Несмотря на то. что эффект Джозсфсона [1| был открыт более 40 лет назад, постоянно открываются новые стороны этого явления. Необычные свойства переходов сверхпроводник - ферромагнетик -сверхпроводник (5Р5-коитактов) связаны с возникновением нового сверхпроводящего состояния в ферромагнетике в окрестности Заграницы. Носителями бездиссипативиого электрического тока в сверхпроводниках являются так называемые куперовские пары, которые состоят из двух электронов, имеющих равные по абсолютной величине и противоположно направленные импульсы и спины, причем общий импульс и спин пары в основном состоянии равен нулю. Однако в ферромагнетике вблизи З^-границы реализуются принципиально новые сверхпроводящие связанные состояния, такие, что суммарный импульс носителей сверхтока отличен от нуля.
Возможность нетривиальных сверхпроводящих состояний в присутствии обменного взаимодействия была впервые предсказана Ларкииым и Овчинниковым |2] и независимо от них Фулдс и Феррслом [3] в 1904 году. Если энергия обменного взаимодействия в материале не очень велика и сравнима с величиной сверхпроводящей щели, то он может быть одновременно и сверхпроводником и ферромагнетиком, несмотря на антогоиизм этих явлений в смысле спинового упорядочения. Из-за ненулевого импульса носителей сверхтока сверхпроводящий параметр порядка в таком "ферромагнитном сверхпроводнике” будет периодическим образом зависеть от координат. Позднее было показано [4|, что аналогичные сверхпроводящие состояния могут возникнуть за счет эффекта близости в любом ферромагнетике, находящемся в контакте со сверхпроводником. В этом случае сверхпроводящая волновая функция будет запухать и осциллировать но мерс удаления от Заграницы.
Осцилляции сверхпроводящей волновой функции в ферромагнетике
3
позволяют получить джозефсоновские SF5-переходы с отрицательны* знаком токо-фазового соотношения: j — —\jc\s\n<p = |jc| sin(</? + 7г) Важным свойством таких "тт-коитактов" (или "джозсфсоновски: НСреХОДОВ в тт-состоянии") является то, что в основном СОСТОЯНИ! разность фаз между их сверхпроводящими берегами равна 7г, и ohj могут быть использованы в качестве источников постоянного фазовог сдвига (инверторов фазы) в новейших модификациях цифровой ] квантовой логики для реализации двукратно-вырожденных (само фрустрированиых) состояний |5]-[6]. При этом одним из важиейши: требований к тг-коитактам является возможность протекания чере них больших сверхпроводящих токов по сравнению с критическим! токами других джозефсоповских переходов сверхпроводящей логичсско: ячейки. Только в этом случае тг-контакт является стационарны* фазовым инвертором и необходимое вырождение достигается.
Переход джозефсоповского SFS-контакта из обычного 0-состояния ^-состояние был впервые экспериментально обнаружен в Лаборатори: Сверхпроводимости ИФТТ РАН в 2000-2001 годах на переходах Nb -CuNi — Nb [7|. Однако па пути к практическому использование SFS-контактов на первых порах возникли серьезные препятствия Основное из них заключалось в малости критической плотности ток первых полученных 7г-контактов: менее 1 А/см2. Вторая проблем заключалась в том, что в ходе транспортных экспериментов можн было зафиксировать лишь сам факт 0 — 7Г перехода, но нсвозможн было определить в каком состоянии (0 или 7г) находится SFS контакт при данной толщине ферромагнетика и температуре. Еще оди интересный вопрос касался процесса изменения знака токо-фазовог соотношения и был связан с возможностью доминирования в пег высших гармоник в окрестности 0 - тт-перехода. Настояща
диссертационная работа посвящена решению этих и других зада посредством экспериментальных исследований свойств 5^5-коитактов различной толщиной и составом феромагнитного слоя, а также фазовс
4
чувствительных структур па их основе. Цели работы состояли в следующем:
• Исследовать зависимость критической плотности тока джозефсоновских БГв-коптпктов N6 — Сщ-хШх — N1 от толщины /г-слоя и температуры в широком диапазоне толщин ферромагнетика.
• Исследовать процесс изменения знака токо-фазового соотношения 5^5-контактов в области 0 — тг-переходов.
Практическая ценность работы определяется, в первую очередь, возможными применениями полученных результатов в активно развивающейся в настоящее время джозефсоиовской электронике. В работе получены тг-коитакты с большой величиной критической плотности тока и открыта возможность для практического использованию *5^5-переходов в качестве инверторов сверхпроводящей фазы.
Личный вклад автора в экспериментальные работы, выполненные в соавторстве, является значительным и связан с участием в постановке задач, приготовлении структур, выполнении измерений и обработке результатов экспериментов.
Работа выполнена в 2000-2000 гг. в ИФТТ РАН (Черноголовка). Некоторые фазово-чувствительные измерения, результаты которых представлены в гл. 4, были выполнены совместно с Д.Дж. Ван Харлингеном и С.М. Фроловым (Университет шт. Иллинойс, г. Урбана. США).
Публикации. Содержание работы отражено в 4 статьях, опубликованных в реферируемых физических журналах.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Списка цитированной литературы. В первой главе (литературном обзоре) рассмотрена
5
природа сверхпроводящего состояния в окрестности Заграницы основные свойства джозофсоиовских контактов и фазове
чувствительных структур на их основе. В Главе 2 обсуждаютс: вопросы изготовления образцов и методика измерения джозефсоновски* характеристик с помощью пиковольтметра на основе СКВИДа. Глав 3 посвящена изучению свойств 5/г5-контактов, в зависимости о толщины н магнетизма .Р-слоя, а также от температуры. В Главе приведены результаты экспериментов, связанных с изучением процесс изменения знака токо-фазового соотношения, а также наблюдение? спонтанных вихревых состояний в области 0 — 7г-перехода 5Р5 контактов N1) — Сщ-хЬНх - N1). В Заключении сформулирован! основные результаты работы.
С
Глава 1. Литературный обзор.
1.1. Джозефсоновский 7г-контакт сверхпроводник -ферромагнетик - сверхпроводник.
Под джозефсоповским переходом, и общем смысле, понимаются сверхпроводящие слабосвязанные структуры, соотношение между током и фазой в которых определяется нечетной 2тг-псриодичсской функцией. В простейших случаях разность фаз <р на джозсфсоиовском контакте связана с плотностью сверхпроводящего тока через него соотношением
где jc > 0 - критическая плотность тока, то есть максимальная плотность бездиссипативного тока через переход. Такое соотношение выполняется для разных типов джозсфсоновских контактов при температурах, близких к температуре сверхпроводящего перехода берегов Тс. В туннельных контактах типа сверхпроводник-изолятор-сверхпроводпик (5/5-контакт) синусоидальное токо-фазовое соотношение имеет место при любых температурах. То же самое можно сказать о переходах типа сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник (5Лг5-контакт), когда нормальный и сверхпроводящие слои находятся в "грязном” пределе, то есть длина свободного пробега электронов достаточно мала. В этом случае энергия, запасенная в джозсфсоиовском переходе может быть описана формулой Е = Ej( 1 - cos<^), где Ej = |/с|Фо/2тг, 1С -критический ток, Фо - квант магнитного потока. В 1977 году Буласвский с соавторами j8] рассмотрели туннелирование через изолятор (1м), содержащий некоррелированные магнитные примеси, и показали, что при определенных условиях токо-фазовос соотношение такого 5/.\/5-контакта может изменить знак:
j=jc sin 9,
(i)
j = -Uc|sinp.
(2)
7
-2JT -Л 0 Л 271
-2Л -Л О Л 2Л
О - контакт л - контакт
Рис. 1: Зависимость сверхпроводящего тока I через переход и свободной энерги перехода Е от разности фаз между берегами для 0- и тг-контакта.
Очевидно, что соотношение (2) является частным случаем ур. (1) нр jc < 0. Поэтому формально говорят, что критическая плотность ток такого контакта является отрицательной. Выражение для свободно энергии в этом случае имеет вид Е = Ej( 1 + cos <р). Из рис. видно, что изменение знака jc приводит к сдвигу зависимостей /(<£>) Е(ф) на половину периода, и минимум свободной энергии достигаете при разности фаз ±тг между берегами контакта. В связи с этш такие переходы называют и7Г-контактами” или говорят о 7г-состояни джозсфсоиовеких переходов.
Туннельный джозефсоповский 7г-коитакт с парамагнитным примесями, предложеный в [8], до сих нор так и не бы. реализован. Вместе с тем, начиная е 80-х годов было предложен несколько других разновидностей 7г-контактов. В частности, я состояние возникает в джозсфсоиовеких переходах, содержании ферромагнитную прослойку ([4], [9]-[20], [7], [21], [22]), в перехода?
8
- Київ+380960830922