Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время широкий интерес исследователей в области сверхпроводимости вызывают низкоразмерные сверхпроводящие структуры. Это связано с тем, что в них были обнаружены свойства, не характерные для макроскопических образцов. Наибольший интерес представляет то, что низкоразмерные структуры обладают лучшими сверхпроводящими параметрами, чем объёмные системы [1]: большими температурами перехода в сверхпроводящее состояние [2, 3], большей по величине щели в спектре возбуждений [4-6]. Со времён открытия явления сверхпроводимости экспериментаторы стремятся достичь таких параметров сверхпроводящих структур, которые позволили бы использовать это явление не только для фундаментальных исследований свойств материалов, но и в промышленных целях, что требует высоких температур сверхпроводящего перехода. К сожалению, несмотря на успехи в области высокотемпературной сверхпроводимости, поставленная цель по-прежнему остаётся недостигнутой.
Стимул к поискам дало исследование сверхпроводящих свойств тонких плёнок. Было обнаружено, что они обладают большими критическими температурами, чем объёмные образцы из тех же материалов [7]. Новый этап в исследовании свойств низкоразмерных сверхпроводящих систем начался с созданием первых одноэлектронных устройств, состоящих из заключённого между сверхпроводящими металлическими электродами центрального островка, в качестве которого использовались сверхпроводящие металлические частицы размером порядка единиц и десятков нанометров [4]. Такие устройства позволили обнаружить преимущества сверхпроводящих наночастиц по сравнению в объёмными образцами и тонкими плёнками.
С введением в эти устройства управляющего электрода, связанного ёмкостным образом с исследуемой наночасгицей, то есть с созданием одноэлектронного транзистора, появилась возможность контролировать параметры системы и исследовать предсказанные для сверхпроводящих наночастиц эффекты чётности [5].
Помимо практической пользы исследование сверхпроводящих свойств наночастиц имеет безусловную важность для понимания природы сверхпроводимости. Во-первых, эти исследования поднимают один из важнейших вопросов о предельном размере частиц, в которых ещё может возникать сверхпроводящее состояние [8]. При постепенном переходе от одноэлектронных устройств на основе микро- и наночастиц к молекулярным устройствам [9, 10] этот вопрос становится крайне актуален. Во-вторых, эффекты, свидетельствующие о возникновении сверхпроводящего состояния, были экспериментально обнаружены в частицах, размер которых много меньше глубины проникновения магнитного поля в вещество и длины когерентности объёмного сверхпроводника [11]. Таким образом, возникает необходимость переоценки величи-
ны, имеющей в микроскопической теории Бардина-Купера-Шриффера физический смысл размера куперовской пары.
На данный момент существует множество экспериментальных исследований низкоразмерных сверхпроводящих систем, накоплен соответствующий объём данных, который позволяет выявить основные особенности сверхпроводящего состояния в нано-частицах по отношению к объёмным сверхпроводникам. Но до сих пор не существует единого представления о природе этих особенностей. Как правило, авторы теоретических работ концентрируют своё внимание исключительно на малых размерах исследуемых систем и связанных с этим эффектах, таких как дискретность электронного спектра и проявление индивидуальных свойств электронов. При этом без внимания остаётся особая роль поверхности, которая также определяет свойства наноразмерных систем [12], способствуя возникновению новых состояний в запрещённой области объёмного сверхпроводника.
Цель работы
Целью настоящей работы является установление общих закономерностей влияния поверхностных электронных состояний на сверхпроводящие и транспортные свойства наночастицы и обоснование необходимости учёта поверхностных состояний при расчёте этих свойств.
Были поставлены следующие задачи:
На примере модели одномерной наночастицы сравнить плотность объёмных и поверхностных электронных состояний в низкоразмерной системе.
Определить вклад поверхностных состояний в сверхпроводящие свойства наночастицы: параметр спаривания и энергию основного состояния.
Определить вклад поверхностных состояний в туннельный ток через сверхпроводящую наночастицу, используемую в качестве центрального островка в одноэлектрон-ном транзисторе.
Научная новизна результатов
Научная новизна результатов состоит в том, что автором впервые:
В рамках теории Бардина-Купера-Шриффера получены наиболее общие аналитические выражения, определяющие величину энергетической щели спектра элементарных возбуждений (параметр спаривания) наночастицы, энергию основного состояния наночастицы и минимальную потенциальную энергию наночастицы.
Показано, что увеличение параметра спаривания в низкоразмерном сверхпроводнике по сравнению с его величиной в макроскопическом сверхпроводнике можно объяснить учётом поверхностных состояний.
Показано, что при учёте поверхностных электронных состояний минимальная потенциальная энергия сверхпроводящей наночастицы по модулю превышает минималь-
ную потенциальную энергию, рассчитанную без учёта поверхностных состояний. Величина разницы между этими значениями определяется веществом частицы. 4. Получены аналитические выражения для объёмной и поверхностной составляющей туннельного тока через сверхпроводящую наночастицу, заключённую между сверхпроводящими и нормальными электродами.
Научная и практическая значимость работы
Введение поверхностных состояний в описание сверхпроводящих и транспортных свойств низкоразмерных сверхпроводников позволяет объяснить характер туннельного спектра исследуемых систем, а также экспериментально обнаруженные особенности сверхпроводящих свойств нзночастиц. Эти особенности крайне важны для синтеза наноразмерных сверхпроводников с новыми заданными параметрами, а также для изучения свойств наночастиц.
Основные положения, выносимые на защиту
Экспериментально наблюдаемое увеличение щели в спектре элементарных возбуждений сверхпроводящих наночастиц можно объяснить, учитывая вклад поверхностных электронных состояний в параметр спаривания.
Минимальная потенциальная энергия сверхпроводящей наночастицы, рассчитанная с учётом поверхностных электронных состояний, по модулю превышает минимальную потенциальную энергию, рассчитанную без учёта поверхностного вклада.
Введение в сверхпроводящую наночастицу одного неспаренного электрона не только увеличивает энергию её основного состояния, но и добавляет в спектр элементарных возбуждений системы дополнительные уровни, скрывающие щель.
При включении сверхпроводящей наночастицы в цепь электрического тока в случае нормальных электродов в системе происходит только одноэлектронное туннелиро-вание через объёмные и поверхностные электронные состояния наночастицы. В случае сверхпроводящих электродов в системе присутствует ток как нормальных электронов, так и куперовских пар.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на X и XIII Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 13-17 марта 2006г. и 16-20 марта 2009г.); XXI Международном симпозиуме «Современная химическая физика» и II Молодёжной конференции «Фи-зикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов» (Туапсе, 25 сентября - 6 октября 2009г.), а также на III, VI и VII Сибирских семинарах по сверхпроводимости и смежным проблемам ОКНО (Омск, 20-21 сентября 2005г. и 16-17 сентября 2008г.; Новосибирск, 16-17 сентября 2009г.).
Публикации
Всего по теме диссертации автором опубликовано 6 научных работ, список которых приведён на стр.20.
Личный вклад соискателя
Смолянкина О.Ю. участвовала во всех этапах научно-исследовательской работы по теме диссертации: в постановке и решении задач исследования, проведении аналитических расчётов, анализе и обсуждении полученных результатов, а также в подготовке и написании научных статей.
Структура н объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Объём диссертации составляет 102 страницы машинописного текста, в том числе 12 рисунков и список цитируемой литературы из 104 наименований.
