Введение к работе
Актуальность темы: Распределенные туннельные джозефсоновские переходы, представляющие собой слоистые структуры из двух сверхпроводников, разделенных несверхпроводящей прослойкой, привлекают в последнее время к себе повышенный интерес. Данный интерес обусловлен как нетривиальной физикой процессов в таких системах, связанных с поведением джозефсоновских вихрей (квантов магнитного потока), так и возможностью создания на основе этих систем практических устройств г характеристиками, значительно превосходящими характеристики аналогичных устройств на других элементах.
К моменту начала работы над диссертацией имелось уже достаточно детальное понимание и экспериментальный материал по динамике одиночных вихрей в туннельных длинных джозефсоновских переходах (ДДП). Основной акцент исследований, представленных в диссертации, сделан на миоговихревой динамике, в которой существенную роль играют эффекты взаимодействия между вихрями. Традиционно исследуемые ДДП (линейные переходы) обладают одним существенным недостатком, непозволяющим детально изучать многовихревое поведение, - у них есть границы. Наличие границ в контактах обычной геометрии приводит к дополнительному излучению вихрем во время его взаимодействия с границами, кроме того в зависимости от граничных условий при отражении от границы перехода вихрь может сохранять свою полярность или превраг щаться в антивихрь. Взамодействие вихрей с отраженным излучением, их столкновения с вихрями и антивихрями существенно осложняет анализ экспериментальных результатов. Исследуемые в работе кольцевые переходы кроме отсутствия границ обладают еще одним уникальным свойством, вытекающим из топологии контакта: если в переходе в момент охлаждения ниже критической температуры было захвачено п одлополярных джозефсоновских вихрей, то магнитный поток захваченный в переходе остается постоянным в течении эксперимента; дополнительные вихри могут возникать только в виде пар вихрь-антивихрь.
Нелинейной волновые явления во многих областях физики твердого тела описываюз -ся возмущенным уравнением синус-Гордона (доменные стенки в магнетиках, дислокации в кристаллах, волны зарядовой плотности). Среди всех этих явлений динамика вихрей (солитонов) в ДДП представляет собой одну из наиболее удобных модельных задач для изучения процессов нелинейной волновой динамики с помощью уравнения синус-Гордона. Разнообразные физические процессы с джозефсоновскими вихрями в распределенных переходах связаны с воздействием различных возмущений: внешнего тока, магнитного поля, структурных пеоднородностей. Следует заметить, что большинство работ, в которых теоретически и методом численного моделирования исследуется вихревая динамика в ДДП, рассматривает именно кольцевую геометрию перехода из-за привлекательно простых граничных условий.
Целью данного цикла исследований является экспериментальное изучение явлений, связанных со статикой и динамикой вихрей в длинных кольцевых джозефсоновских переходах.
В качестве объектов исследований были использованы кольцевые сверхпроводнн-ковые джозефсоновские переходы Nb-NbOx-Pb и Nb-Al/A10x-Nb, обладающие высокой технологичностью и воспроизводимостью параметров. Высокое качество этих структур обеспечило хорошее соответствие экспериментальных результатов с существующей теорией, а также с результатами численного моделирования.
Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие результаты, которые выносятся на зашиту:
-
Реализован способ контролируемого захвата цепочек однополярных вихрей в кольцевых джозефсоновских переходах.
-
Опробован экспериментальный метод визуализации пространственного потенциала вихрей в длинных кольцевых переходах.
-
Исследована динамика цепочек вихрей в кольцевых переходах при скоростях близких к максимальной скорости распространения электромагнитных волн в переходе.
-
Изучена температурная зависимость "buiiching''-чффекта (эффект связывания). Обнаружено, что пороговая скорость, при которой происходит нарушение трансляционной симметрии в цепочке вихрей, связанная с этим эффектом, растет при повышении температуры.
-
Экспериментально обнаружены новые резонансы на вольт-амперных характеристиках, связанные с динамическими возбуждениями магнитного потока (сверхсолито-нами) в длинных переходах с периодической модуляцией параметров.
-
Исследовано влияние внешнего постояного магнитного поля параллельного плоскости кольцевого джозефсоновского перехода на вихревое поведение:
Обнаружено, что это поле создает пространственно-модулированный потенциал. Минимумы для вихрей разной полярности расположены в диаметрально противоположных областях джозефсоновского перехода. Число вихрей, которые пиннингуются в этих минимумах, растет при увеличении поля.
Доказано, что под влиянием внешнего магнитного поля магнитный поток проникает в переход в виде равного числа разнополярных вихрей (необязательно несущих квант потока).
7. С помощью метода пространственной визуализации исследованы флаксон-флаксонные
столкновения и режим проникновения потока в виде равного числа разнополярных
вихрей. Получены прямые изображения джозефсоновских вихрей разных полярно
стей.
Практическая ценность определяется тем, что результаты проведенных исследований представляют интерес для разработки сверхпроводниковых приборов нового поколения, таких как усилители в режиме течения потока (flux-flow transistors) и интегрированные приемники миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Распределенные джозефсоновские переходы, работающие в режиме многовихревой динамики, используются в таких приемниках в качестве перестраиваемых узкополосных генераторов излучения, обеспечивающих работу туннельных смесителей.
Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на Международной конференции SQUD-91 (Berlin, Германия, 1991); Международной конференции-школе по прикладной сверхпроводимости (Waterville Valley, NH, США, 1992); Международной конференции по физике нелинейных диесипативных систем (Lyngby, Дания, 1992); Международном семинаре MRSS'!)5 (Черноголовка 1995); Европейской конференции по прикладной сверхпроводимости (Edinburgh, Шотландия, 1995); конференции Немецкого физического общества (Regensburg, 1996); Международной конференции по "слабой сверхпроводимости" (WSS'9<), Smolenice, Словакия. 1996); Международной конференции по физике низких температур (LT-21. Prague, Чехия. 1996).
Личный вклад автора в экспериментальные работы, выполненные в соавторе і вс. состоял в постановке задач, разработке методик, выполнении измерений, теоретической интерпретации. Образцы для экспериментальных исследований изготавливались В.А.Обозновым и N.Thyssen. Измерения с использованием метода низкотемпературной сканирующей электронной микроскопии (НТСЗМ) были проделаны при участии S.Keil
и T.Doderer; численное моделирование в работах [2,3,5,7] было выполнено N.Lazarides, M.P.S0rensen и А.В.Устиновым.
Работа выполнялась в 1990-96 гг. в ИФТТ РАН (Черноголовка), Датском техническом университете (г.Лингби, Дания) и Тюбингенском университете (г.Тюбинген, Германия).
Публикации. Содержание диссертационной работы отражено в 7 статьях, опубликованных в реферируемых физических журналах [1]-[7].
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка цитированной литературы.