Введение к работе
Актуальность работы. Для всех наиболее важных элементов традиционной электроники можно создать сверхпроводящие аналоги и сконструировать любое электронное оборудование. Сравнение таких приборов с соответствующими устройствами, работающими при комнатной температуре, показывает, что чувствительность, точность, быстродействие первых, как правило, в .10-100 раз выие. И хотя криогенной электронике еще не удалось в значительных масштабах перейти из лаборатории в практику, она без сомнения перспективна на пути дальнейшего развития электроники в сторону быстродействия и миниатюризации. Безусловно,недавно открытые высокотемпературные сверхпроводники будут содействовать успешному осуществлению этой программы.
Низкотемпературная электроника позволяет решить еще одну важную практическую проблему - проблему рассеяния мощности в радиотехнических устройствах. Причины этого состоят в том, что в сверхпроводящих схемах происходят существенно новые (по сравнению с полупроводниковыми устройствами) физические процессы. Особенно это касается систем с пониженной размерностью. Сейчас во многих научных центрах мира проявляется повышенный интерес к их физическим свойствам. Тесная связь теоретических исследований с экспериментальными работами в большой степени способствует успеху в этой области исследований.
Изучению диссипативных процессов в структурах пониженной размерности и эффектов, связанных с ними, посвящена настоящая диссертационная работа. Рассматриваются резистивные токовые состояния двумерных (толщина пленок d. « * , где ~ '- длина корреляции), квазид-вумерных (^ « е^ « Л, здесь Л - лондоновская глубина проникновения) пленок, пленочных систем типа сэндвич, нитевидных проводников. Поскольку перечисленные структуры могут служить и служат основой разнообразных схем в компьютерной продукции, изучение физических процессов, связанных с протеканием тока в них, несомненно актуально. К таким процессам относится вязкое движение квантованных вихрей в плоских сверхпроводящих системах (лчбо созданных термическим путем,'либо собственным магнитным полем транспортного тока) под действием силы Лоренца, туннелирование электронов с испусканием (поглощением) квазичастиц электродов туннельного перехода
- 4 -или возбуждений прослойки, рассеяние электронов колеблющимися атомами кєазиодномерного материала. Нужно сказать, что в песл'еднее время исследования таких процессов являются традиционными для низкотемпературной физики, даже краткое изложение успехов, достигнутых в зтой области, потребовало бы целой монографии. В настоящей работе исследования сверхпроводимости связаны прежде всего с развитием интереса к природе токового состояния плоских сверхпроводников, обнаруживающих фазовый переход Березинского-Костерлица-Тау-лесса, изучением резистивных явлений в пленочных образцах с технологическими неоднородностями. Другой круг вопросов составляют исследования диссипативного токового состояния слоистых твердотельных систем с учетом многочастичных эффектов, елияния флуктуации заряда в системе металлических частиц на электроемкость системы, а также исследование температурной доменной неустойчивости в тонких проводниках при пропускании по ним электрического тока.
Цель диссертационной работы состояла в исследовании механизмов формирования вольт-амперных характеристик(БАХ)в структурах пониженной размерности. Вклад автора характеризуется следующими конкретными задачами:
изучить явления, обусловливающие деградацию сверхпроводящих свойств пленарных'систем ниже температуры топологического фазового' перехода;
исследсвать роль нестационарных и неравновесных процессов, сопровождающих течение магнитного потока, в сверхпроводящих тонкопленочных образцах с краевыми неоднородностями,в реализации диссипативного токового состояния в этих средах;
развить и теоретически обосновать метод зондирования различных ветвей спектра квазичастичных возбуждений в пленочных контактах с помощью многочастичного и неупругого туннельного эффекта.
Научная новизна. Обнаружено,что в тонких сверхпроводящих средах возможно наблюдение гелого ряда новых эффектов, связанных с диссипатквккм характером протекания транспортного тока через образец. Так, установлено, что резкстквное состояние пленарных сверхпроводников неустойчиво относительно возмущения плотности вихревсй плазмы плоских флкжсоидов, температура топологического перехода является функцией скорости сверхтекучего переноса заряда, перемещение вихря в неоднородном температурном поле приводит к термоэлектрическому эффекту типа эффекта Тсмсона.
Впервые последовательно изучены процессы, формирующие ЬлХ ПЛЄ-
ночных образцов, резистивность которых свяаана с вязкостным течением собственных вихрей магнитного поля тока в "слабых" по току местах.
Построена теоретическая модель туннельных явлений, основанная на гамильтониане совокупности электронов перехода, взаимодействующих как между собой, так и с решеткой. Определены дополнительные к схеме Коэна, Фаликова, Филлипса операторы, структура которых помимо операторов рождения и уничтожения электронов по разные стороны барьера содержат также операторы других возбуждений (фононов, электронной плотности). Это позволило наряду с упругим каналом тун-нелирования, который обычно рассматривается для описания туннельных явлений между кристаллами,-определить существенно новые каналы -неупругий и "интерференционный". Разработан эффективный метод расчета ВАХ туннельных структур. Теоретические результаты для избыточных компонент туннельного тока, возникающих благодаря новым каналам, позволили объяснить многочисленные экспериментальные результаты.
При учете электростатического взаимодействия между избыточными плотностями заряда берегов контакта малых размеров вычислен термодинамический потенциал перехода как функция напряжения. Результат позволил проанализировать дифференциальную емкость системы при низких температурах, когда необходим учет дискретностизаряда.
Для исследования в режиме заданного напряжения нелинейных процессов в длинномерных тонких проводниках с током построен функционал (подобный функционалу в термодинамике), позволяющий находить наиболее устойчивые пространственно-неоднородные решения для температурного поля проводника.
Научное и практическое значение. Проблемы, которые рассмотрены в диссертации, затрагивают прежде всего наиболее глубокое свойство сверхпроводников - их способность пропускать электрический ток без сопротивления и важны для правильного понимания магнитодинакических процессов формирования ВЖ сверхпроводящих пленок. Ключевая роль в этой проблеме должна быть отведена специфическим механизмам производства подвижных вихревых образований термическими флуктуацкями в пленарных средах и краевыми дефектами в реальных широкопленочных образцах. Вывод о том, что течение магнитного потока существенно влияет на необратимые процессы теплспроизводства в неравновесных ситуациях представляет интерес для возможности оказывать влияние на динамику резистивного домена с целью генерзиии низксчастстних
\;л~бзний электрического потенциала на образце конечных размеров.
Теоретические результаты для избыточных компонент туннельного :;:'.а, возникающих благодаря дополнительным каналам туннелирования, "ззеолили объяснить некоторые экспериментальные данные по исследованию нечетных частей проводимости контактов. Показана полезная для :.:аического материаловедения возможность восстановления особенностей б плотности состояний энергетических спектров электродов по виду нелинейностей ВАХ туннелиных структур. Кроме того,развитие физики гокопроводяших переходов традиционно определяется потребностями электроники.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались ка Всесоюзных совещаниях по физике низких температур - HT-I7 (Донецк,1972), КТ-18 (Киев, 1974), HT-I9 (Ыинск,1976), НТ-20 (Ыосква, 1979), НТ-23 (Таллин, 1984), НТ-24 (Тбилиси,1986), Всесоюзной конференции "Металлофизика сверхпроводников" (Киев, 1986), Всесоюзном семинаре "Резистивное состояние в сверхпроводниках и джоэефсонов-ских переходах" (Черноголовка, 1937).
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шее— ти глав, заключения, приложений, библиографии. Работа изложена на 327 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, в списке литературы' 273 источника.
По теме диссертации имеется 27 публикаций. Список основных работ приведен в конце автореферата. .
