Введение к работе
Актуальность темы: Исследование свойств слоистых сверхпроводников (СП) и сверхрешеток (СР) представляет большой интерес в связи с перспективами использования в криоэлектронике, наличием оригинальных физических свойств, а также в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в слоистых соединениях. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что слоистая структура сильно влияет на свойства ВТСП. Кроме ВТСП к классу слоистых сверхпроводящих соединений можно отнести ряд органических СП, например, таких как k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 , а также некоторые ^лрпинєния переходных металлов, такие как NbSez, TaSz и, особенно, их ;:ьт?г^.',!'1"лвяниь.н соо«..:;с::;:п, "отппых анизотропия магнитных свойств может Сыть рор«лк» !й?, а ^""""Т"1""0 сопротивлений 104"5. Чередование сверхпроводящих и несворхпроводя-щих (или слабо сверхпроводящих) слоев приводит к модуляции СП параметра порядка. При этом, если связь между слоями достаточно слабая, то даже идеальные монокристаллы можно представить как стопку СП слоев, связанных джозефсоновской связью. "Внутренний" эффект Джозефсона между отдельными СП слоями недавно был обнаружен в сильно анизотропных монокристаллах ВТСП В/'гЗггСаСигОз, ТІгВагСагСизОю и органического СП k-(BEDT-TTF)zCu(NCS)2 [1].
Важное значение имеет природа прослоек между СП слоями в ВТСП: являются ли они проводящими или нет? Другими словами, является ли ВТСП структурой типа Сверхпроводник-Изолятор-Сверхпроводник (SIS) или Сверхпроводник-Нормальный металл-Сверхпроводник (SNS). На этот вопрос сейчас нет определенного ответа. Несмотря на то, что SNS и SIS структуры имеют сходные фундаментальные джозефсоновские свойства, SNS структуры обладают целым спектром специфических свойств, обусловленных "эффектом близости", т.е. наведением СП параметра порядка в нормальных слоях. За счет этого связь между слоями в SNS, как правило, сильнее, чем в SIS СР.
Важную информацию о структуре вихря, вихревой решетки и других фундаментальных свойствах СП несут магнитные исследования. Одним из необычных свойств ВТСП является положительная кривизна зависимости ffjT), наблюдавшаяся для ряда ВТСП [2]. До последнего времени было не ясно, является ли это внутренним свойством ВТСП или вызвано неточностью методов определения. Для корректного извлечения критических параметров ВТСП из кривых намагничивания необходима модель критического состояния, учитывающая особенности ВТСП.
Трудности в осмыслении данных по ВТСП делают актуальным исследование модельных слоистых СП, таких как искусственно приготовленные сверхрешетки. Вместе с тем, изучение искусственно приготовленных СР имеет самостоятельную общефизическую ценность. Удобство этих объектов для исследования определяется, в первую очередь, возможностью варьирования их параметров, в процессе изготовления. Кроме того, они являются многообещающими объектами для различных применений в джозефсоновской микроэлектронике, перспективы которой трудно переоценить.
Для исследования эффекта Джозефсона и связей между слоями в СП СР, необходимы эксперименты, при которых измерения ведутся поперек слоев. В настоящее время подобных экспериментов мало. Основная проблема здесь связана с изготовлением образцов для таких
-A-
измёрений, состоящих из большого количества идентичных слоев и, жесткими условиями на размеры образцов.
Целью работы было теоретическое и экспериментальное исследование вихревой структуры и стационарных магнитных свойств ВТСП и модельных SNS сверхрешеток; исследование размерных переходов в SNS сверхрешетках; создание адекватной модели критического состояния для аккуратного определения нс, и плотности критического тока J„ в СП, имеющих форму пластинки.
Научная новизна работы. В диссертационной работе впервые получены следующие результаты, выносимые на защиту:
-
Теоретически исследована структура изолированного вихря, лондоновская глубина проникновения и анизотропия в СП сверхрешетке с произвольными параметрами слоев. Для этого создана модель слоистого СП, учитывающая реальные граничные условия на границе слоев и эффект близости.
-
Теоретически показано, что температурные зависимости НС\(Т) для SNS СР могут иметь положительную кривизну, причем анизотропия % зависит' от температуры и может как возрастать, так и убывать, как функция температуры, в зависимости от параметров сверхрешетки.
-
Разработана модель критического состояния, позволяющая определять объемные значения Нл и Jc в ВТСП и прочих СП, имеющих форму пластинки.
-
Экспериментально определены температурные зависимости нижнего критического поля tfci, критического тока пиннинга Je и анизотропии в Nb/Cu СР и монокристаллах ТІ2ВагСаіСигОж, УВагСиз07-х и k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)z.
-
Обнаружены аномальные температурные зависимости #ii с положительной кривизной при низких температурах для Nb/Cu сверхрешеток и ВТСП монокристаллов Т1гВагСа^СигОх, что дает аргументы в пользу SNS природы последних. Теоретически исследована возможность и получены экспериментальные свидетельства в пользу существования второго размерного перехода из 2D в "2D сильносвязанное" (2DSC) состояние в SNS сверхрешетках при низких температурах за счет эффекта близости.
-
Наблюдены новые проявления 3D-2D кроссовера в Nb/Cu СР при температуре кроссовера: а) Резкое увеличение анизотропии Нл. б) Появление гистерезиса на ВАХ при измерительном токе поперек слоев, в) Излом на температурной зависимости критического тока поперек слоев.
7. Теоретически исследованы зависимости критической
температуры Ус, температуры 3D-2D кроссовера Гт и критического тока
поперек слоев в SNS сверхрешетках, от параметров СР.
8. Произведено прямое наблюдение 3D-2D размерного перехода в
Nb/Cu СР и процесса разрешения отдельных слоев в сверхрешетках во
время 3D-2D кроссовера. С уменьшением температуры наблюдалось
последовательное кратное увеличение напряжения ступеньки Шапиро на
вольт-амперных характеристиках (ВАХ), показывающее возрастание
числа разрешенных Nb/Cu/Nb джозефсоновских переходов в
сверхрешетках.
Практическая ценность работы определяется, в первую очередь, перспективами использования СП СР для создания стандарта -вольта, различных СП детекторов и для других применений в криоэлектронике. Их использование сможет существенно увеличить уровень интеграции в криоэлектронике. Кроме того, исследование модельных объектов необходимо для глубокого понимания свойств ВТСП и прочих естественных слоистых СП, имеющих перспективы практического применения. Разработанная модель критического состояния позволяет определять объемные значения Нс, и Jc в ВТСП и прочих СП, имеющих форму пластинки. Предложенная теоретическая модель слоистого СП развивает существующие модели слоистых СП, позволяя учи.ті;пі- p«->.n^uuo пипйства слоев и пространственные
Изменения СП сипі/нив. HIU BctAiiC i^'Tt Zrл^~r:." viu^ «-^
Апробация работы. Результаты исследований, изложенных в диссертации были представлены на XXV Всесоюзном совещании по физике низких температур (Ленинград 1988), Workshop on Electronic Properties of Semiconductor Microstructures and Superconducting Films (Gurzuf 1990), International seminar "Pinning and the resistive state in superconductors" (Chernogolovka 1991), XXIII General conference of the European Physical Society (Regensburg, 1993), European Conference for PhD students in Physical Sciences PeH'93 (Paris-Orsay 1993), 20th International Conference on Low Temperature Physics (Eugene 1993), Scientific Meeting on the Development of Solid State Physics in the Netherlands (Velhoven, 1993), SPIE's International Symposium (Los Angeles 1994), The Nationaie Conference Sensortechnologie (Enschede 1994), Int. workshop on superconductivity and particle detection (Toledo 1994), Int. Conference M2S-HTSC IV (Grenoble 1994), The 1st European Workshop on Low Temperature Electronics "Wolte" (Grenoble 1994), European Conference for PhD students in Physical Sciences PeH'94 (Montpellier 1994), Int. workshop on advanced technology of multicomponent solid films and structures, (Dubrinichi, Ukraine September. 1994), International Seminar "MRSS'95" (Chernogolovka 1995).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитированной литературы.
