Введение к работе
Актуальность темы
Одной из наиболее важнейших задач физики сверхпроводимости является изучение свойств сверхпроводящих структур, связанных с переносом транспортного тока. Это обусловлено тем, что именно они находят самое широкое применение в различных технических областях. Известно, что сверхпроводящие материалы, в той или иной степени, обладают свойством бездиссипативного переноса транспортного тока. Однако, существование критического тока сверхпроводника (некоторого значения транспортного тока, при протекании которого через сверхпроводник исчезает сверхпроводимость) накладывает на данное свойство существенное ограничение. Поэтому изучению возможностей увеличения плотности критического тока в сверхпроводниках уделяется особое внимание. Поскольку плотность критического тока сверхпроводника определяется как внешними условиями (температурой, величиной и направлением внешнего магнитного поля и т.д.), так и внутренними свойствами (родом материала, кристаллической структурой, чистотой материала, геометрией и т.д.) структуры, то справедливо в качестве одного из путей решения данной проблемы выбрать изучение сверхпроводящих материалов с заранее известной внутренней структурой. В качестве таких объектов часто выбираются пленочные структуры и структуры, представляющие собой наборы чередующихся сверхпроводящих и несверхпроводящих слоев- слоистые структуры. С другой стороны, изучение критического состояния пленочных структур обусловлено тем, что именно они чаще всего используются при применении сверхпроводников в микроэлектронике. В последние годы усовершенствование технологических методик напыления пленок, таких
как электронно-лучевое испарение, магнетронное распыление, молекулярно- лучевая эпитаксия, вместе с освоением методов контроля в процессе осаждения пленок, позволили изготавливать структуры с толщиной отдельных слоев, находящейся в широком интервале 10-=-104А- Это повлекло за собой расширение области применения тонкопленочных структур и, как следствие, увеличение интереса к их фундаментальным свойствам. Обычно при изготовлении слоистых структур сверхпроводящие слои чередуются со слоями нормального металла (s/N), полупроводника (s/s), диэлектрика (S/I) и другого сверхпроводника (s/S1), поэтому их свойства неразрывно связаны со
свойствами сверхпроводящих слоев, лежащих в их основе. Таким образом, понимание физических процессов, происходящих в пленках и слоистых структурах, требует их совместного, тщательного изучения.
Несмотря на то, что данной области посвящено большое количество работ, целый ряд свойств пленочных и слоистых структур остается практически неизученным. На данный момент слабо исследованы магнитные и транспортные свойства слоистых структур типа (s/I), в которых толщина изолирующего слоя является достаточно большой для отсутствия в них размерных эффектов и эффекта близости, а толщина сверхпроводящего слоя сравнима с характерными длинами сверхпроводящего материала (длиной когерентности и глубиной проникновения магнитного поля Я). Также вызывают интерес транспортные свойства и критическое состояние в тонких пленках, толщина которых сравнима с или Я. Техническая возможность
варьировать геометрические характеристики подобных структур открывает широкие перспективы для их экспериментального исследования. При этом проблема изучения пиннинга- механизма,
ответственного за критический ток в сверхпроводниках П-ого рода, упрощается в подобных упорядоченных структурах, что позволяет более полно понять это явление. Изменение толщины сверхпроводящих слоев позволяет исследовать свойства слоистых структур в широком интервале критических параметров слоя, а наличие изолирующих слоев с заданными параметрами позволяет исследовать структуры с различными видами взаимодействия между сверхпроводящими слоями. Соизмеримость толщины сверхпроводящих слоев или периода слоистой структуры с характерными длинами сверхпроводящего материала: длиной когерентности и глубиной проникновения магнитного ПОЛЯ в
сверхпроводник А приводит к наличию особенностей на характеристиках слоистой структуры. Соизмеримость толщины сверхпроводящих слоев, или периода слоистой структуры, с глубиной проникновения магнитного поля Я, сильно влияет на процесс закрепления магнитных вихрей Абрикосова на дефектах, т.е. на механизме пиннинга, что приводит к появлению аномалий на зависимости критического тока от величины внешнего магнитного поля (пик- эффект) и от угла расположения структуры по отношению к нему. Также большое влияние на транспортные свойства и возможность их практического применения оказывают эффекты памяти, обусловленные историей формирования критического состояния в структуре. Подобные эффекты в низкотемпературных сверхпроводниках на данный момент малоизученны, и требуют дополнительного изучения.
С другой стороны, интерес к изучению всех классов слоистых структур еще более увеличивается в связи с тем, что высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП) по своей природе часто являются слоистыми веществами, соответственно, изучение слоистых структур на основе обычных сверхпроводников помогает понять природу
свойств ВТСП, по крайней мере, в рамках феноменологического представления.
Целью данной диссертационной работы является исследование особенностей критического состояния сверхпроводящих пленок и слоистых структур, связанных с их микро- и макро-структурой, внешним магнитным полем и начальным пространственным положением структуры (эффект памяти) посредством изучения угловых и полевых зависимостей критического тока, а также разработка теоретического подхода к описанию транспортных свойств объектов различной геометрии.
Для достижения поставленной иели решались следующие задачи
1. Разработать комплексный метод изучения угловых и полевых
свойств сверхпроводящих пленок и слоистых структур.
2. Экспериментально исследовать аномалии на угловых
зависимостях критического тока для слоистых структур NblNbO ,
заключающиеся в отклонении максимума критического тока от положения, отвечающего параллельности плоскости структуры и направления внешнего магнитного поля. Провести поиск аналогичных свойств слоистых структур Nb/Pd. Изучить поведение аномалий в зависимости от величины и направления внешнего магнитного поля и начальных пространственных условий, в которых находилась структура.
3. Поставить эксперименты для обнаружения аномального
поведения угловых зависимостей критического тока для пленок Nb и
поиска свойств, аналогичных найденным в слоистых структурах.
4. Разработать теоретический подход, объясняющий аномальное
поведение угловых зависимостей критического тока для слоистых
структур и пленок в магнитном поле.
Разработать метод численного решения системы нелинейных уравнений Гинзбурга- Ландау для описания поведения макроскопических параметров сверхпроводящих объектов различной геометрии (цилиндр, пластина).
На основе вышеуказанного метода построить теоретическую модель критического состояния сверхпроводящей пластины в параллельном внешнем магнитном поле. Данный теоретический подход распространен на слоистые структуры вида (S/I) Рассмотреть температурные особенности критического состояния сверхпроводящих пластин различной толщины.
Научная новизна работы состоит в следующем
1. Впервые изучено аномальное поведение угловых зависимостей
критического тока (заключающееся в отклонении максимума
критического тока от положения, отвечающего параллельности плоскости
структуры и направления внешнего магнитного поля) для пленок Nb и
для многослойных структур Nb/NbOx, Nb/Pd, помещенных во внешнее
магнитное поле.
2. Впервые проведен комплекс исследований по выявлению
влияния величины и направления внешнего магнитного поля на
поведение данных аномалий. Обнаружено, что аномальное поведение
угловых зависимостей критического тока имеет место только в области
средних полей.
3. Впервые проведены исследования поведения аномалий угловых
зависимостей критического тока от начальных условий, в которые
помещается исследуемая структура. Обнаружено, что начальные условия
определяют характер и величину аномального поведения. Найдена связь
геометрических характеристик исследуемых образцов с порогами
происходящих в них явлений.
4. Разработана методика численного решения системы нелинейных
уравнений Гинзбурга- Ландау, описывающих поведение параметра
порядка и распределение магнитного поля в образцах различной
геометрии. На ее основе впервые изучены особые "краевые" состояния,
которые могут возникать в сверхпроводнике второго рода с ростом
внешнего магнитного поля.
5. На основе разработанной методики численного решения
системы нелинейных уравнений Гинзбурга- Ландау проведено численное
моделирование критического состояния тонких пленок (тонких пластин)
и слоистых сверхпроводящих структур (в том числе структур, состоящих
из слоев, имеющих разные сверхпроводящие и геометрические
параметры- композитных слоистых структур). Подробно рассмотрены
некоторые эффекты, связанные с зависимостью критического тока
распаривания от температуры и геометрических размеров для
сверхпроводящих пластин в магнитном поле. Отмечена возможность
расширения границ применимости соотношения для термодинамического
критического тока Гинзбурга-Ландау.
Научная и практическая значимость
Разработан новый метод исследования неравновесных свойств вихревой системы в сверхпроводниках, основанный на анализе угловых зависимостей критического тока сверхпроводящих структур, помещенных во внешнее магнитное поле. Показано, что сильно анизотропные структуры на основе ниобия проявляют аномальные (заключающиеся в отклонении максимума критического тока от положения, отвечающего параллельности плоскости структуры и направления внешнего магнитного поля) транспортные свойства в области средних внешних полей. Проведены подробные исследования свойств данных аномалий. Разработаны методы
управления поведением данными аномалиями, которые могут иметь практическое значение при применении структур на основе ниобия в микроэлектронике. Разработана модель, позволяющая понять природу вышеуказанных аномалий. Показано, что существовавший ранее метод определения параллельной ориентации образца в магнитном поле по максимуму критического тока на его угловой зависимости может давать ошибочные результаты.
Предложена методика численного моделирования транспортных свойств тонких сверхпроводящих пластин и слоистых структур на их основе. Получены зависимости критического тока от внешнего магнитного поля и температуры, позволяющие более полно понять природу протекания транспортного тока в сверхпроводящих пластинах. Получено теоретическое подтверждение закона подобия для тонких пленок и изучены возможности отклонения от него.
С практической точки зрения результаты данной работы могут быть использованы при решении проблемы увеличения плотности критического тока, при изготовлении сильноточных сверхпроводящих устройств, а также устройств работающих в переменном магнитном поле.
Назащитувыносятся следующие положения
1. Показано, что слоистые структуры Nb/NbOx, nNb/Pd, проявляют аномальные свойства угловых зависимостей [1], заключающиеся в отклонении максимума критического тока от положения, отвечающего параллельности плоскости структуры и направления внешнего магнитного поля в области средних полей. Данные свойства исчезают при приближении внешнего поля к значению второго критического поля. Исследовано влияние начальных условий положения структуры во внешнем поле на величину и свойства аномалий. Предложено теоретическое описание данных явлений.
2. Показано, что аномальное поведение угловых зависимостей,
аналогичное описанному в первом пункте, имеет место и для пленок Nb.
Все свойства, обнаруженные для Nb/NbOx и Nb/Pd слоистых структур, в
случае Nb пленок являются менее ярко выраженными, что связано с
уменьшением поперечной анизотропии тонких пленок по сравнению со
слоистой структурой. Предложенный теоретический подход
распространен на случай тонкой пленки.
3. На основе численных методов получены точные
самосогласованные решения системы нелинейных уравнений Гинзбурга-
Ландау [2], описывающие поведение параметра порядка и распределение
магнитного поля в образцах различной геометрии, помещенных во
внешнее магнитное поле. Обнаружен ряд новых свойств, таких как:
существование подавленного краевого состояния, смена рода фазового
перехода при переходе сверхпроводника первого рода в нормальное
состояние и т. д., связанных с поведением макроскопических параметров
в сверхпроводниках различной геометрии.
4. Произведен расчет полевых и температурных зависимостей
критического тока для тонких сверхпроводящих пленок и слоистых
структур на основе уравнений Гинзбурга-Ландау в рамках безвихревого
подхода. Рассмотрено критическое состояние для сверхпроводящих
пластин и слоистых структур. Обнаружено сложное поведение
зависимостей критического тока от температуры в присутствии внешнего
магнитного поля для сверхпроводящих пластин различной толщины.
Получено, что границы применимости выражения для критического
термодинамического тока Гинзбурга могут быть расширены. Обнаружено
отклонение "полевой зависимости поверхностной силы пиннинга от
формы описанной в законе подобия для пленок и слоистых структур.
Изучена причина подобных отклонений. Смоделированы некоторые
возможности возникновения пик- эффекта на зависимости критического тока от внешнего магнитного поля для структур с сильной поперечной анизотропией.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на
семинарах в Физическом институте им. П.Н. Лебедева, материалы
диссертационной работы были представлены на ХХХШ совещании по
физике низких температур (Екатеринбург, 17-20 июня 2003г.) и 1-й
международной конференции "Фундаментальные проблемы
высокотемпературной сверхпроводимости" (Москва, 18-22 октября 2004г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем диссертации
