Флуктуационные и когерентные явления в гранулированных сверхпроводниках

- 2 -
СОДЕРЖАНИЕ Стр.
ВВЕДЕНИЕ.............................................................4
’ЛАВА I. ФЛУКТУАЦИОННЫЕ, НЕРАВНОВЕСНЫЕ И КОГЕРЕНТНЫЕ
ЯВЛЕНИЯ В СВЕРХПРОВОДНИКАХ.................................12
1.1. Флуктуационные эффекты в сверхпроводниках ...... 12
1.1.1. Флуктуационная проводимость ............................. 12
1.1.2. Флуктуации параметра порядка вблизи Тс .................. 15
1.1.3. Особенности резистивных переходов и флуктуационная проводимость в гранулированных сверхпроводниках ............. 17
1.1.4. Термические топологические возбуждения в сверхпроводящих плёнках при Т Тс............................ 21
1.2. Критические токи сверхпроводящих плёнок ..................."24
1.3. Избыточный ток в слабосвязанных сверхпроводниках ... 26
1.4. Когерентные эффекты в гранулированных сверхпроводниках..............................................27
1.4.1. Когерентные эффекты на постоянном токе .................. 27
1.4.2. Когерентное джозефсоновское излучение ................... 30
1.4.3. Когерентные эффекты при наличии внешнего СВЧ
сигнала..........................................................32
1.5. Постановка задачи и выбор объектов исследования ... 36 ЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗИСТИВНОГО СОСТОЯНИЯ ТОНКИХ
ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПЛЕНОК ВАНАДИЯ В ОБЛАСТИ ИХ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПЕРЕХОДА.....................................40
2.1. Образцы и техника эксперимента ............................ 40
2.2. Флуктуационная проводимость при Т >-Тс................ 47
2.2.1. Резистивные переходы гранулированных плёнок .... 47
2.2.2. Особенности на зависимости СГ^7/ ,
обусловленные гранулящией плёнок ............................... 50
2.3. Область критических флуктуаций ............................ 51
- 3 -
2.4. Обсуждение экспериментальных результатов и
сравнение их с теорией...............................................54
2.4.1. Флуктуации при Т >'Т!С...............................54
2.4.2. Область критических флуктуаций .............................. 58
2.5. Особенности поведения сверхпроводящих
гранулированных плёнок при Т ^ Тс....................................59
2.6. Исследования в СВЧ полях ...................................... 63
2.6.1. Влияние СВЧ излучения на резистивные переходы
плёнок..........................................................63
2.6.2. Влияние СВЧ излучения на критические флуктуации . . 66
2.6.3. Влияние СВЧ излучения на размерность флуктуаций . . 68
2.7. Выводы..........................................................70
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ КРИТИЧЕСКИХ И ИЗБЫТОЧНЫХ ТОКОВ
СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ПЛЁНОК ВАНАДИЯ.......................73
3.1. Критические токи сверхпроводящих гранулированных
плёнок..........................................................73
3.1.1. Особенности вольт-амперных характеристик плёнок и зависимости ^(Т) при Т Тс и малых измерительных
токах...........................................................73
3.1.2. Обсуждение экспериментальных результатов и сравнение их с теорией.......................................75
3.1.2.1. Температурная зависимость критического тока
плёнок ......... ................................................... 75
3.1.2.2. Связь наблюдаемых явлений со структурой образцов. .78
3.2. Избыточный ток в сверхпроводящих гранулированных плёнках ванадия ............................................ 83
3.2.1. Экспериментальное исследование избыточного тока сверхпроводящих гранулированных плёнок ..................... 84
3.2.2. Обсуждение экспериментальных результатов и сравнение их с теорией.......................................88
- 4 -
3.2.2, Выводы....................................................93
ГЛАВА 4. КОГЕРЕНТНЫЕ ЭФФЕКТЫ В ГРАНУЛИРОВАННЫХ
СВЕРХПРОВОДНИКАХ.................................................95
4.1. Когерентные эффекты в сверхпроводящих
гранулированных плёнках ........................................ 95
4.1.1. Эффекты на постоянном токе .............................. 95
4.1.2. Когерентное джозефсоновское излучение .................. 101
4.1.3. Когерентные эффекты при наличии внешнего СВЧ
сигнала....................................................... 105
4.1.4. Детектирование СВЧ сигналов сверхпроводящими гранулированными плёнками ...................................115
4.1.5. Связь наблюдаемых эффектов со структурой
образцов........................................................121
4.2. Когерентные эффекты в сверхпроводящих порошковых ниобиевых контактах ............................................125
4.2.1. Технология изготовления образцов ........................125
4.2.2. Вольт-амперные характеристики контактов
различных типов.................................................127
4.2.3. Особенности смешения СВЧ сигналов ниобиевыми порошковыми контактами ..................................... 128
4.2.4. Смеситель частот миллиметрового диапазона на
сверхпроводящем порошковом контакте ............................141
4.3. Сравнительное обсуждение экспериментальных результатов.....................................................145
ШШОЧЕНИЕ...........................................................147
ИТЕРАТУРА..........................................................151
- 5 -
ВВЕДЕНИЕ
Теоретическое предсказание в 1962 году /*/7 и экспериментальное подтверждение в 1964 году Е23 эффектов Джозефсона послужило мощным стимулом для развития исследований в области физики слабосвязанных сверхпроводников. Общим для сверхпроводящих слабосвязанных контактов (ССК) является наличие двух сверхпроводников, соединенных областью с пониженным значением параметра порядка А . Суть эффектов Джозефсона заключается в том, что в отсутствие внешнего магнитного поля Н , во-первых, ток, протекающий через слабую связь оказывается зависящим от разности фаз параметра порядка в берегах контакта:
1=1сйпУ, I0.it
где - максимальное значение тока, протекающего без диссипации через контакт, и, во-вторых, при появлении напряжения на контакте в нём генерируются электромагнитные колебания, частота которых ^ связана с напряжением V соотношением
(0.2)
где Ь - постоянная Планка; @ - заряд электрона. По мере развития исследований в данной области стало ясно, что наличие у ССК джозефсоновских свойств зависит от соотношения между характерным размером слабой связи 3 и длиной когерентности при данной температуре \(Т\ , а именно: . Число слабых связей,
обнаруживающих эффекты Джозефсона достаточно велико £33 • Наиболее изученными из них являются собственно джозефсоновские туннельные контакты, сверхпроводящие точечные контакты (СТО), микромостики Дайема, мостики переменной толщины (МПТ) и мостики на эффекте близости.
Наличие существенно нелинейной вольт-амперной характеристики
- б -
(ВАХ) и собственного высокочастотного излучения определили значительный прикладной интерес к ССК. Наряду с исследованиями физики процессов, протекающих в ССК, значительное число работ конца 60-х, начала 70-х годов было посвящено вопросам применения различных ССК в качестве нелинейных элементов генераторов, детекторов и смесителей частот СВЧ диапазона /Г-4 “6_7 • Причем по ряду параметров, и в первую очередь по быстродействию, то есть возможности применения в субмиллиметровой области длин волн ССК значительно превосходили существовавшие в то время полупроводниковые детекторы и смесители С.7,83 . В то же время, всем ССК присущ ряд недостатков, которые не позволили пока реализовать предсказываемые теорией предельные параметры приемных устройств, использующих в качестве нелинейных элементов такие контакты. К ним относятся: механическая нестабильность, заключающаяся в изменении параметров слабой связи со временем и особенно в процессе охлаждения (СТК); малое сопротивление (микромостики и МПТ) и большая ёмкость (туннельные контакты), приводящие к недопустимо большим потерям на рассогласование с СВЧ трактами.
Одним из возможных путей устранения указанных недостатков явилось создание и исследование многосвязных джозефсоновских систем (ВДС) в виде цепочек С9,10] и наборов [11)123 ССК, а также гранулированных сверхпроводников (ГС) различных типов [33 , в том числе и гранулированных плёнок Е13)143 • Если создание
регулярных наборов ССК является сложным технологическим процессом, требующим применения электронной фотолитографии, то гранулированные плёнки могут быть получены широко известным методом вакуумного напыления. Совершенствуя метод напыления удаётся получать образцы с заданным размером гранул и контролируемыми параметрами. Помимо простоты изготовления другим и основным аспектом, определившим выбор гранулированных сверхпроводников в качестве
_ 7 -
объекта исследований, является широкий спектр физических явлений в ГС, которые к моменту начала настоящей работы либо вообще не были исследованы, либо изучались в некоторых частных случаях. К таким явлениям следует отнести флуктуационные эффекты в ГС в области их резистивного перехода как выше, так и ниже температуры перехода Тс, критический и избыточный токи в гранулированных плёнках; когерентные эффекты в статистических наборах ССК. Как известно, поведение ГС существенным образом зависит от соотношения между средним размером гранул^ и редь даёт возможность проследить взаимосвязь исследуемых явлений со структурой образцов.
Что касается наблюдения джозефсоновских свойств, то основная трудность при реализации системы слабых связей заключается в необходимости создания большого числа контактов с одинаковыми параметрами. Поскольку в реальных системах разброс параметров всегда имеет место, существенным для понимания процессов в наборах ССК является выяснение условий их синхронизации как внешним, так и собственным излучением, а также выявление других возможных механизмов, приводящих систему в когерентное состояние, в котором набор ведет себя как единое целое по отношению к внешним возмущениям. При этом возросшее сопротивление, а также температурная и временная стабильность ГС создают предпосылки для их успешного использования в качестве нелинейных элементов различных СВЧ устройств.
Понимание изучаемых явлений имеет не только большое прикладное значение. Их правильная интерпретация важна и с общефизической точки зрения, так как она позволяет глубже понять сущность фундаментальных микроскопических процессов, происходящих в сверхпроводниках. Отсюда очевидна актуальность исследований, представленных в настоящей работе, целью которой является всестороннее и
что в свою оче-
полное изучение перечисленных выше явлений в гранулированных сверхпроводниках на основе переходных металлов в широком интервале температур и токов как в отсутствии, так и при наличии внешнего СВЧ излучения.
Использование измерений на постоянном токе в сочетании с разнообразными исследованиями в СВЧ полях применительно к гранулированным сверхпроводникам, свойства которых могут меняться в значительных пределах под действием температуры, тока и СВЧ излучения, позволило получить ряд новых физических результатов, определивших научную новизну настоящей работы, а именно:
- на каждом конкретном образце полностью изучено влияние всех известных флуктуационных механизмов на резистивные переходы гранулированных пленок как выше, так и ниже Т„;
С#
показана возможность существования термических топологических возбуледений типа вихрь-антивихрь в гранулированных пленках ванадия ниже Т.;
О
- изучено влияние СВЧ излучения на резистивные переходы гранулированных пленок и обнаружено: изменение размерности слабых флуктуаций; уменьшение за счет стимуляции сверхпроводимости, а затем увеличение области критических флуктуаций при увеличении мощности внешнего СВЧ сигнала; стимуляция сверхпроводимости нульмерного ансамбля частиц малого размера вблизи температуры их резистивного перехода Тс0; резкое возрастание сопротивления образцов в температурной области существования термо-вихрей;
показана взаимосвязь наблюдаемых явлений с соотношением
нение ряда электрофизических параметров ГС при переходе от случая
и эффективным размером гранул ; обнаружено изме-
вблизи Тс к случаю
при изменении температуры
- 9 -
- обнаружен избыточный ток в ГС и изучено его поведение как при малых, так и при больших напряжениях вплоть до перехода образцов в нормальное состояние, показана связь наблюдаемых явлений с когерентными свойствами набора ССК;
I - обнаружены и исследованы когерентные эффекты как в гранулированных плёнках ванадия, так и в /1/4 порошковых контактах; измерены предельные параметры СВЧ детекторов и смесителей, использующих в качестве активного элемента такие ГС; разработан и испытан лабораторный макет сверхпроводникового смесителя миллиметрового диапазона длин волн на сверхпроводящем порошковом контакте.
Указанные выше результата настоящей диссертации являются основными и выносятся на защиту.
На основе полученных физических результатов показана перспективность применения сверхпроводящих гранулированных плёнок для детектирования и смешения СВЧ сигналов миллиметрового диапазона, проведен сравнительный расчет вольт-ваттной чувствительности таких устройств, показано негативное влияние собственной джо-зефсоновской генерации на приём слабых сигналов и даны рекомендации по улучшению достигнутых параметров; получена разносторонняя информация о влиянии флуктуаций на резистивные переходы гранулированных плёнок, что имеет первостепенное значение с точки зрения их практического применения в сверхпроводниковых болометрах; определены требования к структуре образцов, необходимые для реализации нужных свойств ГС.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы, раскрывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов и даётся краткий обзор содержания работы.
£_П§В22£_Е5§2§ содержится обзор литературы, отражающий со-
- 10 -
временное состояние исследований по основным вопросам, рассмотренным в диссертации: флуктуациям, критическим и избыточным токам, а также когерентным эффектам в сверхпроводниках; формулируется постановка задачи и обосновывается выборов объектов исследования.
описывается экспериментальная техника низкотемпературных измерений на постоянном токе и в СВЧ полях. Приведены результаты всестороннего исследования влияния флуктуаций на резистивные переходы гранулированных плёнок ванадия, а также результаты исследования влияния СВЧ излучения на резистивные переходы и размерность флуктуаций в таких плёнках.
Третья_глава посвящена описанию экспериментов по изучению критических и избыточных токов в сверхпроводящих гранулированных плёнках ванадия и установлению связи обнаруженных явлений с особенностями структуры исследованных плёнок.
В четвертой главе сообщаются результаты обнаружения и изучения когерентных эффектов в сверхпроводящих гранулированных плёнках ванадия и ниобия и порошковых ниобиевых контактах. Приводятся результаты измерения предельных параметров таких образцов в режимах широкополосного детектирования и смешения СВЧ сигналов. Анализируются возможности их применения в качестве нелинейных элементов различных СВЧ устройств миллиметрового диапазона длин волн. Обсуждается схема и параметры лабораторного макета смесителя частот миллиметрового диапазона на сверхпроводящем порошковом контакте.
В_заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Диссертация изложена на 165 страницах, из которых машинописный текст занимает 119 страниц, включая 5 таблиц, 42 рисунка - 31 страница и список литературы из 114 наименований - 15 страниц.
- II -
Основные результаты работы обсуждались на:
1. 18-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур: НТ-18, Киев, 1974 г.
2. 19-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур: НТ-19, Минск, 1976 г.
3. 21-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур: НТ-21. Харьков, 1980 г.
4. 7-10-ом Всесоюзных семинарах "Применение эффекта Джозефсо-на в вычислительной технике", Киев, 1979-83 г.г.,
а также на научных семинарах во ФТИНТ АН УССР и ДонФТИ АН УССР и отражены в 9 публикациях.
- 12 -
ГЛАВА I. ФЛУК1УАЦИ0ННЫЕ, НЕРАВНОВЕСНЫЕ И КОГЕРЕНТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В СВЕРХПРОВОДНИКАХ
1.1. Флуктуационные эффекты в сверхпроводниках
1.1.1. Флуктуационная проводимость
Наблюдаемые экспериментально резистивные переходы тонких сверхпроводящих плёнок (рис. 1.1, кривая 2), как впервые показал Гловер , оказываются размытыми по сравнению с резис-
тивным переходом в массивных сверхпроводниках (рис. 1.1, кривая I). Отклонение сопротивления тонких плёнок /? от их остаточного сопротивления /?0 начинается гораздо выше Тс и в ряде случаев достигает заметной величины. Причины такого поведения оказываются различными в зависимости от рассматриваемого интервала температур, что позволяет разбить резистивный переход на ряд температурных областей, как это показано на рис. 1.1, физический смысл которых будет понятен из дальнейшего обсуждения.
При температурах заметно превышающих ТС(Т > Тс) уменьшение /? обусловлено влиянием избыточной флуктуационной проводимости (парапроводимости) СТ . В случае двумерных сверхпроводников, которыми являются тонкие пленки при выполнении условия (Г'= 0777-оь определяется след/тощим выражением Е16-19] '
^Ыт'&Ч1У^тг°епТ}цл)
где (ТП=(/%4Г , Ко - остаточное сопротивление отнесен-
ное к единичной площади плёнки (сопротивление на квадрат); (£ -толщина плёнки; \)^- ширина плёнки; 2.Р - размерность системы; То-'/^б (Ко ~ 1*52*10“^ Р>° - параметр Асламазова-Лар-кина; *С~ (Т-То)/Т0 ; - параметр распаривания, обычно оп-
ределяемый экспериментально.
Рис. 1.1. Резистивные переходы массивного сверхпроводника (I), тонкой плёнки (2) и тонкой гранулированной плёнки (3). Тс и (Тс)-- значения критической температуры, определенные, соответственно, ПРИ №(Т)/Яо = 0,5 и экстраполяцией зависимости К(Т//К.о до пересечения с осью температур. Остальные обозначения - тексте.
- 14 -
Первое слагаемое в (1.1) - вклад Асламазова-Ларкина (А-Л) в <Т' 016] , возникающий в результате формирования флуктуацион-
ных куперовских пар выше Т.; второе - вклад Маки-Томпсона (М-Т) 017,18] , учитывающий взаимодействие нормальных электронов
с флуктуационными парами. Как показал Имамура с соавторами Г/57» учёт эффектов более высокого порядка приводит к добавлению в (1.1) третьего слагаемого уменьшающего влияние М-Т вклада, что подтверждено экспериментально 020] . Однако, как показывает несложный расчет, в подавляющем большинстве случаев добавка Има-муры гораздо меньше первых двух слагаемых в (1.1). В свою очередь, в средах с большим & М-Т вклад пренебрежимо мал, и (1.1) может быть записано в виде, полученном первоначально Асламазо-вым и Ларкиным для тонких плёнок 016] :
г : (1.2)
Для таких сред в трехмерном случае (массивные сверхпроводники)
/ Г
С016] , в одномерном (тонкие проволочки с диа-
метром с1«^(Т) ) 0ф^Т /гГ16] и в нульмерном (наборы сверхпроводящих частиц с диаметром с{<^(Т)) Т'8 021] .
Выражение (1.2) хорошо описывает ряд экспериментальных результатов в аморфных плёнках висмута 015] и галлия 022] .
Выражение (1.1) описывает, практически все имеющиеся экспериментальные результаты по флуктуационной проводимости при Т >ТС в двумерных сверхпроводниках (тонких плёнках), на которых выполнена подавляющая часть работ в данной области исследований (см. например С23] и обзор в 0247 . В основном, в этих работах исследовалась температурная зависимость (Г' , которая затем сопоставлялась с теорией С16~19] , и делались попытки получения /эмпирического выражения для • Кроме