Введение к работе
Актуальность темы
Одной из ключевых проблем современной физики конденсированного состояния является описание квантового транспорта, то есть явлений переноса заряда, обусловленных квантовыми эффектами, в неупорядоченных системах с сильным электрон-электронным взаимодействием. Интенсивное изучение проводимости неупорядоченных проводников при низких температурах привело к пониманию существенного вклада в процесс переноса заряда квантовой интерференции волновых функций невзаимодействующих электронов (так называемая, слабая локализация) и усиления роли межэлектронного взаимодействия при диффузионном движении носителей. Создание теории интерференционных явлений в неупорядоченных металлах и открытие квантовых интерференционных явлений в фер-миевских системах показало, что при некоторых условиях особенности квантовой механики могут проявиться в крупномасштабных явлениях. Это породнило данный круг явлений со сверхпроводимостью как с эффектом, обусловленным макроскопической квантовой когерентностью. Такое родство делает особо актуальными вопросы, связанные с сосуществованием и взаимным влиянием двух макроскопических квантовых явлений - сверхпроводимости, с одной стороны, и явлений, обусловленных слабой локализацией и эффектами взаимодействия, с другой.
В неупорядоченных системах локализация волновых функций носителей препятствует установлению макроскопической квантовой когерентности, характеризующей сверхпроводимость, и приводит, в зависимости от степени беспорядка, к квантовым фазовым переходам сверхпроводник-изолятор или сверхпроводник-металл. На сегодняшний день само существование квантового фазового перехода сверхпроводник-изолятор при изменении степени беспорядка является хорошо установленным [1]. Имеется немалое количество экспериментальных работ на широком круге материалов, где показано наличие и сверпроводящей и диэлектрической фазы при уменьшении толщины плёнок, например Ві, Al, Pb [2], Be [3] или концентрации носителей — InO [4]. Однако является ли этот переход прямым, или же между сверхпроводящей и диэлектрической фазами есть область металлической фазы, является открытым вопросом. Кроме того, переход между сверхпроводящей и диэлектрической фазой может возникать под влиянием внешнего магнитного поля, и на сегодняшний день магнитоиндуцированный квантовый
фазовый переход сверхпроводник-изолятор экспериментально обнаружен на InO [5] и Be [6]. В работе [7] дано теоретическое описание обоих переходов (при изменении степени беспорядка и в магнитном поле), основанное на дуальности купе-ровских пар и вихрей. Предполагается, что в сверхпроводящей фазе куперовские пары делокализованы, а вихри локализованы, а в диэлектрической фазе наоборот, куперовские пары локализованы, а вихри делокализованы. При этом предполагается, что вихри имеют бозонную природу. Предсказывается универсальное значение сопротивления на переходе равное h/4e2 = 6.45 кОм (квант сопротивления для куперовских пар) и скейлинговое поведение сопротивления вблизи перехода. Первые же эксперименты показали, что хотя скейлинговое поведение и обнаруживается, величина универсального сопротивления может очень сильно отличаться от предсказываемого значения. Этот факт делает актуальным детальное исследование причин, обуславливающих скейлинговое поведение. Более того, недавно (2005 год) появилась теоретическая работа [8], которая предполагает фермионную природу вихрей, что требует экспериментального подтверждения и тщательного исследования вихревой динамики, в частности, измерения не только продольного магнитосопротивления, но и «холловской» компоненты, а также вольтамперных характеристик. Кроме того, остается и сопутствующая задача: хотя феноменологически концепция локализованных куперовских пар кажется вполне адекватной (позволяет качественно объяснить наблюдаемый в эксперименте большой пик в магнитосопротивлении), тем не менее, вопрос о микроскопическом механизме переноса заряда в системах с локализованными куперовскими парами остаётся открытым. Более того, на сегодняшний день практически не изучена эволюция магнитоиндуцированной диэлектрической фазы в сильном магнитном поле. Таким образом, на сегодняшний день в области исследований квантового фазового перехода сверхпроводник-изолятор остаётся масса невыясненных вопросов, требующих подробного экспериментального изучения.
Целью диссертационной работы являются всестороннее экспериментальное исследование квантового транспорта в тонких сверхпроводящих плёнках нитрида титана, изготовленных по технологии атомарно-слоевого осаждения из химической фазы (ALCVD), а именно, изучению фазовых переходов сверхпроводник-диэлектрик и сверхпроводник-металл в неупорядоченных плёнках с целью выявления условий и явлений, сопровождающих данные переходы и установления основных параметров, определяющих трансформацию от одного
перехода к другому.
Научная новизна работы
Обнаружен переход от активационного типа проводимости, отвечающего диэлектрическому состоянию, к состоянию с практически нулевой проводимостью. Установлено, что данный переход характеризуется критической температурой, критическим магнитным полем и критическим напряжением. Такое поведение является дуальным к известному переходу Березинского-Костерлица-Таулесса (БКТ) из резистивного состояния в сверхпроводящее для двумерных сверхпроводящих систем. Показано, что все признаки магнитоиндуцированного перехода сверхпроводник-изолятор могут наблюдаться в случае перехода сверхпроводник-нормальный металл, при условии, что магнитополевая и температурная зависимости сопротивления данного металла определяются главным образом квантовыми поправками к проводимости.
Практическая ценность работы
Результаты транспортных исследований плёнок нитрида титана, выращенных по технологии атомарно-слоевого осаждения из химической фазы, дают важную и уникальную информацию об и транспортных и фермижидкостных параметрах. Обнаруженные сильно нелинейные вольтамперные характеристики плёнок при переходе изолятор-сверхизолятор могут послужить основой для создания нового класса криогенных электронных приборов.
Апробация работы
Основные результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах в Институте физики полупроводников СО РАН, а также на следующих конференциях: Двенадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных (Новосибирск, 2006); Advanced Research Workshop on Mesoscopic and Strongly Correlated Electron Systems - 4 "Nanoscale superconductivity and magnetism"(Chernogolovka 2006); IV Сибирский семинар по сверхпроводимости и смежным проблемам (Новосибирск 2006); VI Сибирский семинар по сверхпроводимости и смежным проблемам (Омск 2008); IX Молодежная школа - семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург 2008).
Публикации
По результатам диссертации в печати опубликовано 5 рецензируемых работ и 7 тезисов российских и международных конференций.
На защиту выносятся следующие положения
В результате исследования температурных и магнитополевых зависимостей сопротивления и вольтамперных характеристик плёнок нитрида титана установлено, что в TiN при изменении степени беспорядка происходит прямой переход сверхпроводник-изолятор, минуя металлическое состояние.
Магнитосопротивление сверхпроводящих плёнок в температурном диапазоне Тс < Т < ЗТС обусловлено, главным образом, подавлением когерентного рассеяния электронов, составляющих флуктуационную куперовскую пару (поправки Маки-Томпсона). При приближении температуры к критической происходит увеличение частоты сбоя фазы.
Все признаки магнитоиндуцированного перехода сверхпроводник-изолятор наблюдаются в случае перехода сверхпроводник-нормальный металл, при условии, что магнитополевая и температурная зависимости сопротивления данного металла определяются главным образом квантовыми поправками к проводимости.
Установлено наличие перехода от актпвационной к гиперактивационной температурной зависимости сопротивления плёнок TiN, находящихся на диэлектрической стороне перехода, указывающее на переход изолятор-сверхизолятор. Энергия активации и температура перехода в гиперактива-ционный режим зависят от магнитного поля.
Доказано существование критического магнитного поля и критического напряжения для сверхизолирующего состояния.
Личный вклад автора в экспериментальные работы, выполненные в соавторстве, состоял в непосредственном проведении экспериментов, анализе, обработке, интерпретации результатов и подготовке публикаций.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы из 92 наименований. Общий объём диссертации 125 страниц, включая 53 рисунка и 6 таблиц.
Похожие диссертации на Квантовый транспорт в тонких плёнках нитрида титана
