Введение к работе
Актуальность темы. Исследование мезоскопических систем,
содержащих сверхпроводники и магнетики, представляет интерес как с фундаментальной, так и с прикладнрй точек зрения. Общефизический интерес рассмотренных задач состоит в том, что магнитные границы подавляют, в отличие от немагнитных, даже обычную изотропную сверхпроводимость s-типа. Поэтому на магнитных границах чистых s-сверхпроводников могут появляться андреевские связанные состояния, которые кардинальным образом влияют на транспорт в соответствующих мезоскопических системах. Кроме того, важной задачей является исследование спиновой структуры андреевских поверхностных состояний вблизи магнитных границ. В частности, это касается возможности переноса не только электрического, но и спинового тока в гибридных системах, содержащих синглетные сверхпроводники.
Исследования систем, содержащих сверхпроводники и антиферромагнетики, фактически только начинаются. Поэтому теоретическое изучение явлений на AF/SC границах раздела очень важно, и, кроме того, необходимо создание достаточно эффективного метода решения неоднородных задач такого типа. Рассмотрение систем сверхпроводник — CDW или DDW-материал может представлять интерес не только с точки зрения изучения их транспортных свойств, но и дать некоторую информацию о тине электронного упорядочения в реальных материалах, в частности, о псевдощелевом состоянии купратоп.
Что касается прикладного аспекта, то речь идет, например, об использовании необычных свойств 7Г-контактов п сверхпроводящей электронике, в частности, 7r-SQUIDax и элементах квантовых компьютеров. Изучение спиновых токов является частью новой и активно развивающейся области физики конденсированного состояния — спинтроники, которая занимается вопросами спинового транспорта и контроля спиновых степеней свободы.
Цель работы. Данная работа имеет своей целью получение новых теоретических результатов в задачах о контактах чистых синглетных сверхпроводников с магнитными материалами, которые позволят предложить новые эффекты для экспериментально-
f UC НАЦИОНАЛЬНА* СИБЛЮТСКА
; тяли
го исследования. Более конкретно, в диссертации поставлены следующие цели. В первой главе: найти энергетический спектр и исследовать спиновую структуру андреевских поверхностных состояний в контактах чистых синглетных сверхпроводников с ферромагнитными границами наиболее общего вида, а также со сложными границами, содержащими ферромагнитные металлы и изоляторы. Исследовать джозефсоновский ток и возможности перехода из 0 в тг-состояние в таких системах. Во второй главе: исследовать влияние спин-орбитального взаимодействия на свойства гетерострук-туры ферромагнетик — сверхпроводник. В третьей главе: исследовать возможность образования андреевских связанных состояний на границе антиферромагнетик — сверхпроводник, найти с учетом этих состояний джозефсоновский ток в контакте двух сверхпроводников через антиферромагнитную прослойку. Развить метод для аналитического описания неоднородных систем, содержащих сверхпроводники и антиферромагнетики. В четвертой главе: исследовать возможность существования и энергетический спектр андреевских поверхностных состояний, а также джозефсоновский ток в системах, содержащих чистые синглетные сверхпроводники и CDW или DDW-материалы.
, Научная новизна диссертационной работы заключена в следующих оригинальных результатах, которые выносятся на защиту: 1) Найдены аналитические выражения для спектра андреевских поверхностных состояний и джозефсоновского тока в чистом S—F—S-контакте для ферромагнитной прослойки наиболее общего вида, с учетом произвольных (и различных для квазичастиц со спином вверх и вниз) амплитуд прохождения. В диссертации показано, что в S—F—S-контакте андреевские связанные состоя-. ния имеют определенную спиновую поляризацию, направленную по или, против направления обменного поля в ферромагнетике, т. е. принадлежат различным спиновым каналам. Также продемонстрировано, как конкуренция вкладов этих спиновых каналов в джозефсоновский ток приводит к возникновению температурного 0—тг-перехода в рассматриваемой S—F—S-системе. Исследован джозефсоновский ток в окрестности 0—л"-перехода для контактов с малой прозрачностью, где величина критического тока имеет минимальное значение. Показано, что в этой области температур линейный по прозрачности контакта член в токе исчезает и величи-
на джозефсоновского тока имеет второй порядок малости (квадратична) по прозрачности и содержит первую ~ sinx и вторую ~ sin 2\ гармоники одного порядка.
-
Получены спектры и исследована спиновая структура андреевских связанных состояний в контакте с FIF-прослойкой при учете ее конечной прозрачности и произвольного угла разориен-тировки намагниченностей ферромагнетиков. Вычислен джозеф-соновский ток в контакте двух сверхпроводников с FIF-прослойкой. Показано, что критический джозефсоновский ток проявляет немонотонную зависимость от угла разориентировки, если основное состояние контакта при ц> = 0 является ^-состоя 11 нем.
-
В гетероструктуре ферромагнетик — сверхпроводник при наличии спин-орбитального взаимодействия в ферромагнитной прослойке найден спектр андреевских поверхностных состояний. Показано, что спиновая поляризация электрона и дырки, формирующих связанное состояние, в прослойке различны в результате совместного влияния обменного поля ферромагнетика и спин-орбитальной связи. Поскольку скорости электрона и дырки в связанном состоянии почти противоположны, это приводит к переносу спинового тока андреевскими поверхностными состояниями в прослойке.
-
Вычислены и изучены спонтанные поверхностные спиновый и зарядовый токи в гетероструктуре ферромагнетик—сверхпроводник при учете спин-орбитального взаимодействия, которые возникают в системе в результате эффекта близости со сверхпроводником, переносятся андреевскими поверхностными состояниями и имеют место при всех температурах ниже сверхпроводящей критической температуры.
-
Развит квазиклассический подход к описанию контактов антиферромагнетик — сверхпроводник. На границе нормального металла с зонным антиферромагнетиком найден новый канал зависящего от спина отражения квазичастиц. Показано, что в условиях, когда новый канал отражения доминирует, на AF/sSC границе формируются низкоэнергетические связанные состояния как результат комбинации антиферромагнитного (Q-отражения) и андреевского отражения. Напротив, на AF/dSC границе раздела нет низкоэнергетических состояний для любой ориентации сверхпроводника по отношению к границе. Это существенно отличает границу AF/dSC от границы d-сверхпроводника с обычным диэлек-
три ком, на которой существуют нулевые поверхностные состояния для определенных ориентации сверхпроводника по отношению к границе. Рассмотрено влияние разницы поверхностей Ферми в сверхпроводнике и антиферромагнетике и величины подрешеточ-ной намагниченности на спектр связанных состояний.
-
Показано, что в sSC/AF/sSC контакте поверхностные связанные состояния расщепляются из-за конечной ширины антиферромагнитного слоя и переносят джозефсоновскии ток через контакт. Найден энергетический спектр связанных состояний в контакте sSC/AF/sSC. Вычислен джозефсоновскии ток, переносимый этими состояниями, и показано, что результат сильно отличается от обычного результата Амбегаокара-Баратова.
-
Рассмотрены поверхностные состояния на границах раздела CDW/SC и DDW/SC, формирующиеся за счет комбинации андреевского и Q-отражения. Найдены условия, при которых эти состояния будут низкоэнергетическими. Вычислен джозефсоновскии ток в контактах dSC/CDW/dSC и sSC/DDW/sSC.
Научная и практическая ценность работы. В работе показано, что андреевские связанные состояния играют крайне важную роль при рассмотрении транспортных свойств мезоскопиче-ских систем, содержащих чистые сверхпроводники и магнетики, в том числе и ашиферромагнетики. Результаты первой главы могут быть использованы в сверхпроводящей электронике, в частности, для создания переключателей из 0-состояния,системы в тг-состояние. Показано, что при определенных условиях андреевские поверхностные состояния в синглстных сверхпроводниках могут давать спонтанные поверхностные токи в широком интервале температур, как электрические, так и спиновые, которые могут быть экспериментально обнаружены. Кроме того, развит квазнкласси-ческий метод решения задач, содержащих сверхпроводники и антиферромагнетики. Этот метод позволяет решать довольно широкий класс неоднородных задач. На основе результатов диссертации возможно проведение дальнейших исследований свойств ме-зоскопических систем, содержащих антиферромагнетики и CDW (ББ\У)-материалы.
Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы. Результаты работы докладывались и об-
суждались на международной научной конференции Симметрия макроскопических квантовых состояний в г. Лугсбург, Германия, а также на теоретических семинарах ИФТТ, теоретических семинарах института теоретической физики им. Л.Д. Ландау, семинарах отделения теоретической физики ФИЛН, семинарах в университете Карлсруэ, Германия, университете штата Флорида, США, и в Гарвардском университете, США.
Структура диссертации. Материал диссертации изложен на 109 страницах, содержит 17 рисунков, библиографию из 96 наименований. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка литературы.
