К теории когерентного транспорта в сверхпроводящих структурах Голубов, Александр Авраамович

Введение к работе

Актуальность темы. Исследование сверхпроводящих структур, состоящих из комбинации сверхпроводников и нормальных проводников с размерами порядка длины когерентности сверхпроводника (субмикронная область), является одним из актуальных направлений в физике твердого тела и электронике. Современная технология позволяет изготавливать подобные объекты, так называемые мезоскопические структуры, на основе контактов сверхпроводник-полупроводник. Интерес к этой области объясняется обилием нетривиальных физических явлений, происходящих в таких системах. Кроме того, джозефсоновские переходы на основе контактов нормальных проводников и сверхпроводников (эффекта близости) находят многочисленные применения в электронике с характеристиками, зачастую превосходящими характеристики аналогичных устройств на других элементах.

Особая актуальность в разработке теоретичесих моделей сверхпроводящих структур возникла в связи с открытием явления высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП). Эффект близости играет важную роль в ВТСП как из-за присущей им многозонной структуры, так и при изучении туннелирования в джозефсоновских контактах на основе этих материалов. В частности, практический интерес связан с проблемой создания ВТСП SNS контактов. При этом важен учет специфики ВТСП материалов, а именно эффектов затухания квазичастиц и сильной анизотропии.

Еще одна область, где важен учет пространственной неоднородности при расчетах тока и релаксации квазичастиц - ето джозефсоновские контакты на основе Nb, используемые в частности для детектирования частиц высокой энергии.

Цель работы. Основной целью выполненного в 1987-1996 годах цикла работ стало развитие теории токовых состояний, энергетического спектра и линейного отклика в сверхпроводниках с пространственно неоднородным распределением параметра порядка. В рамках единого подхода на основе уравнений микроскопической теории сверхпроводимости решен широкий круг задач:

- Развита количественная теория транспорта в туннельных джозефсоновских контактах на основе эффекта близости сверхпроводник-нормальный металл-изолятор-сверхпроводник (SNIS), в рамках которой расчитаны вольт-амперные характеристики SNIS и SNINS контактов, а также расчитаны времена захвата и туннелирования квазичастиц в данных структурах.

Исследован когерентный транспорт в мезоскопических сверхпроводящих контактах. Изучен переход от баллистического транспортного режима к диффузионному, а также от непосредственной (омической) проводимости к туннельной.

Рассчитаны термодинамические свойства многослойных систем из чередующихся нормальных и сверхпроводящих слоев, а также из ферромагнитных и сверхпроводящих слоев.

- Проведен количественный анализ эффектов сильного электрон-
фононного взаимодействия в многозонных сверхпроводниках, на основе
которого расчитаны частотная и температурная зависимости микровол
нового отклика.

- Исследовано теоретически влияние межэлектронного взаимодействия
на верхнее критическое поле сверхпроводящих пленок и слоистых сверх
проводников.

Научная новизна и достоверность. Основные результаты, положенные в основу диссертации получены впервые, а ее научные положения и выводы обоснованы, во-первых, согласием теоретических выводов с экспериментальными результатами в тех случаях, когда экспериментальная ситуация достаточно адекватно соответствовала теоретической модели, во-вторых, более поздними расчетами других авторов, и, в-третьих, взаимным согласованием полученных результатов с выводами, полученными другими авторами в рамках известных ранее более простых моделей.

Следующие результаты получены впервые и выносятся на защиту:

1. Развита количественная теория эффекта близости в структурах нормальный металл - сверхпроводник (NS) с учетом межэлектронного взаимодействия в нормальном металле, рассеяния электронов на примесях и на границе раздела нормальный металл-сверхпроводник. В квазиклассическом приближении, расчитаны плотности состояний квазичастиц в N и S слоях.

2. Разработаны количественные методы расчета свойств туннельных джозефсоновских структур типа SNIS и SNINS, которые использованы для конкретных расчетов вольт-амперных характеристик контактов. Продемонстрировано хорошее согласие теории с экспериментом для контактов на основе Nb.

3. Развит метод расчета времен релаксации квазичастиц в пространственно неоднородном сверхпроводнике вследствие электрон-фононного взаимодействия, который применен к задаче о вычислении времен захвата и туннелирования квазичастиц в туннельном детекторе SNIS типа.

4. Построена теория токовых состояний в баллистических контактах типа NcNS и SNcNS, где "с" обозначает микросужение. Обобщены известные ранее модели, использующие представления об андреевском и обычном отражении квазичастиц в области контакта. Предсказаны новые серии субгармонических особенностей в проводимости SNcNS контактов. Предложена модель SNS контактов на основе высокотемпературных сверхпроводников в предположении, что перенос заряда через NS границы происходит по микроконтактному механизму.

5. Рассчитаны вольт-амперные характеристики структур NcNS в баллистическом и диффузионном режимах и продемонстрированы качественные различия свойств контактов в указанных случаях. Дана интерпретация возвратного эффекта в температурной зависимости кондактанса, наблюдавшегося экспериментально в диффузионных контактах с длиной, знасительно превышающей длину когерентности.

6. Проведено обобщение теории эффекта близости в многослойных системах N/S и F/S, где F-ферромагнитный металл, на случай произвольной величины коэффициента прозрачности потенциального барьера на границах раздела N/S и F/S. Для F/S систем дано объяснение немонотонной зависимости критической температуры от величины магнитного момента, наблюдавшейся экспериментально в системе VlV\-_zFe_x.

7. Решена задача о верхнем критическом поле Н_С2 тонких сверхпроводящих пленок и слоистых сверхпроводников с учетом межэлектронного взаимодействия. Показано, что взаимодействие в диффузионном и куперовском каналах по разному проявляется в температурной зависимости На.

8. Решены уравнения Элиашберга для двухзонного сверхпроводника с сильным электрон-фононным взаимодействием. На основе полученных решений расчитаны плотности состояний в разных зонах и микроволновой отклик. Указаны проявления межзонной инверсии знака параметра порядка в экспериментах по джозефсоновскому тун-нелированию.

9. Расчитана структура кора вихря Абрикосова в произвольном магнитном поле. Продемонстрировано хорошее количественное согласие с экспериментальными результатами по измерению зависимости радиуса кора вихря от поля в NbSe^. Для практически интересной конфигурации, когда вихрь захвачен перпендикулярно слоям

многослойной NS системы, показано, что размер кора в N области существенно зависит от прозрачности NS границы.

Решение сформулированных в диссертации задач имеет и практическое значение, поскольку оно позволяет не только дать объяснение ряда экспериментально наблюдаемых эффектов, но также и рекомендации по совершенствованию параметров ряда джозефсоновских контактов. В частности, проанализировано влияние эффекта близости на свойства туннельных джозефсоновских переходов, предложена модель джозефсоновских SNS переходов с ВТСП электродами, адекватно описывающая их основные свойства.

Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований были представлены и докладывались:

на Международных конференциях по физике низких температур (LT-19, Брайтон, Англия, 1990; LT-20, Орегон, США, 1993; LT-21, Прага, Чехия, 1990); Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (Питтсбург, США, 1996); Международной конференции по сверхпроводящей электронике (Токио, Япония, 1995); Международной конференции СКВИД-85 (Берлин, Германия, 1991); конференциях Немецкого физического общества (Регснсбург, 1993; Мюнстер, 1994); Международной конференции по нелинейной сверхпроводящей электронике (Капри, Италия, 1994); Международных конференциях по механизмам и материалам сверхпроводимости (Интерлакен, Швейцария, 1988; Стэнфорд, США, 1989; Гренобль, Франция, 1994); Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (Эдинбург, Великобритания, 1995); Международной конференции по макроскопическим квантовым явлениям (Смоленице, Словакия, 1996). На научных семинарах в ИФТТ, ФИАН, ИФП, ИСАИ, МГУ, в университетах Аахена, Гамбурга, Кельна, Карлсруэ, Регснс-бурга, в Институте им.М.Планка в Штуттгарте, в Исследовательском центре г.Юлиха (ФРГ), в университетах Гронингена, Лійдена, Твенте (Нидерланды), в Международном центре теоретической физики в Триесте (Италия), в Аргоннской национальной лаборатории, в университете Стони Брук (США).

Публикация работы. Основное содержание диссертации опубликовано в 1988-1996 годах в 37 научных статьях [1-37], приведенных отдельным списком в конце реферата. Из этих же работ взяты приводимые в диссертации графики и рисунки. В экспериментальных работах [5,20,25,31,35,37], содержащих теоретический анализ, на защиту выносятся лишь теоретические результаты.

Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 8 глав, "заключения, списка литературы и списка работ автора. Каждая из глав заканчивается разделом "Выводы", в котором кратко суммируются основные положения.