Содержание к диссертации
Введение
1. Ферромагнитные частицы как источник неоднородного магнитного поля 17
1.1. Введение 17
1.2. Обзор литературы 21
1.2.1. Переход между однодоменным и вихревым состояниями в ферромагнитных дисках 21
1.2.2. Метастабильные состояния намагниченности малых ферромагнитных частиц 25
1.3. Изготовление магнитных частиц на сверхпроводнике 28
1.3.1. Особенности изготовления частиц на сверхпроводнике 29
1.3.2. Исследование модификации свойств сверхпроводящей системы в процессе изготовления ферромагнитных частиц 34
1.4. Исследование остаточных состояний в ферромагнитных частицах Со. 35
1.4.1. Методика магнитосиловых исследований 35
1.4.2. Результаты исследований остаточных распределений в эллиптических частицах кобальта 42
1.5. Расчет магнитных полей однородно намагниченных частиц 50
1.6. Выводы 57
2. Влияние неоднородного магнитного поля ферромагнитных частиц на критический ток торцевых джозефсоновских контактов 59
2.1. Введение 59
2.2. Магнитные частицы на сверхпроводнике: обзор литературы 63
2.2.1. Магнитные частицы над сверхпроводящими пленками 63
2.2.2. Влияние искусственных неоднородностей на свойства джозефсоновских контактов 67
2.3. Модель торцевого джозефсоновского перехода в неоднородном поле магнитных частиц 69
2.4. Методика изготовления и исследование свойств торцевых джозеф-соноских контактов 82
2.5. Экспериментальное исследование торцевых джозефсоновских переходов с магнитными частицами 90
2.6. Выводы 97
3. Свойства планарных джозефсоновских контактов и узких сверх проводящих мостов в неоднородном магнитном поле системы ферромагнитных частиц 98
3.1. Исследование свойств планарных переходов с магнитными частицами 98
3.2. Исследование свойств узких сверхпроводящих мостов с магнитными частицами 108
3.2.1. Модель диодного эффекта для узких сверхпроводящих мостов с наномагнитами 108
3.2.2. Экспериментальное исследование узких сверхпроводящих ни-обиевых мостов с магнитными частицами 114
3.3. Выводы 132
Заключение 133
Приложение: Расчет магнитного поля однородно намагниченного пря
моугольного параллелепипеда 136
Список публикаций автора по теме диссертации 138
Библиография
- между однодоменным и вихревым состояниями в ферромагнитных дисках
- Магнитные частицы над сверхпроводящими пленками
- Методика изготовления и исследование свойств торцевых джозеф-соноских контактов
- Модель диодного эффекта для узких сверхпроводящих мостов с наномагнитами
Введение к работе
Актуальность работы
Развитие методов нанолитографии сделало возможным изготовление нанораз-мерных магнитов, что послужило стимулом для дальнейшего развития физики микромагнетизма. Магнитные свойства наноразмерных магнитов (или наномаг-нитов) сильно отличаются от характеристик объемных магнитных материалов, из которых они изготовлены. Во многих случаях технически важные магнитные свойства, такие как восприимчивость, коэрцитивность и остаточная намагниченность существенно увеличиваются при нанометровом структурировании. Это позволяет рассматривать подобные магнитные наноструктуры в качестве перспективных сред хранения информации [1, 2, 3, 4, 5, 6], магнитных сенсоров [3, 4, 7] и для элементов сред, реализующих квантовые вычисления [8, 9].
Свойства малых ферромагнитных частиц теоретически интенсивно исследуются последние пятьдесят лет, и основные представления на сегодняшний день сформированы. Магнитные частицы в виде дисков (цилиндр, в основании которого лежит круг) являются наиболее изученным объектом микромагнетизма. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, простая осесимметричная форма частиц позволяет строить простые физические модели и аналитически исследовать возможные распределения намагниченности. Во-вторых, нанодиски - это один из самых простых объектов, которые можно изготовить методами нанолитографии.
Известно, что в зависимости от радиуса и толщины ферромагнитных нано-дисков, основным состоянием наномагнита может быть однородное или вихревое распределение намагниченности [10]. Особенностью вихревого распределения является существование центральной области вихря, намагниченность которой перпендикулярна плоскости диска. Размер этой области (сердцевины или кора вихря) определяется обменной длиной lex = y/A/Mf, где А - обменная константа, Ма -магнитный момент насыщения, и практически не зависит от радиуса частицы (если он больше размеров кора в несколько раз). Для обычных ферромагнитных
материалов обменная длина 1ех находится в интервале 3-20 нм [11].
Конкуренция магнитостатического и обменного взаимодействий ведет к тому, что с увеличением радиуса и толщины частицы вихревое состояние становится энергетически более выгодным, чем однородное. У частиц, находящихся в вихревом состоянии поля рассеяния фактически отсутствуют, и, наоборот, эти поля относительно велики у частиц в однородном состоянии.
Для использования ферромагнитных частиц в качестве управляемого источника мелкомасштабного магнитного поля, необходимо чтобы в частицах существовало несколько метастабильных магнитных состояний, индуцирующих различные магнитные поля. Эта ситуация реализуется, если в наномагните вихревое и однородное распределения намагниченности устойчивы. Существующие на сегодняшний день экспериментальные результаты исследований остаточных распределений намагниченности в отдельных ферромагнитных дисках показывают, что, обычно, наблюдается лишь одно устойчивое состояние, т.е., область сосуществования вихревых и квазиоднородных распределений намагниченности в дисках очень узка [10, 12].
В частицах более сложной геометрии анизотропия формы может увеличить энергетический барьер, разделяющий вихревое и однородное состояния, что делает возможным существование метастабильного состояния. Например, в субмикронных эллиптических частицах (цилиндр в основании которого лежит эллипс) могут существовать как вихревое, так и однородное распределения намагниченности, одно из которых является основным, а другое - метастабильным состоянием [13, 14, 15, 16]. Область геометрических размеров эллиптических частиц, в которых наблюдаются метастабильные состояния, более широкая, чем в случае частиц в виде дисков.
Одной из искусственных магнитных наноструктур является периодическая решетка одинаковых наномагнитов. Решетка ферромагнитных наночастиц является уникальным источником неоднородного магнитного поля величиной порядка магнитного момента насыщения ферромагнетика и масштабом изменения, определяемым периодом решетки. Для типичных переходных металлов (Fe, Ni, Со) магнитный момент насыщения М„ составляет ~ 1000 Гс. Период решетки частиц
d , при современном развитии методов литографии, может изменяется в интервале от 10 до 1000 нанометров. Кроме того, магнитное поле частиц можно перестраивать путем перемагничивания всей решетки или отдельных ее частей внешним магнитным полем. Это свойство решеток ферромагнитных наночастиц открывает новые возможности для управления свойствами сред, высокочувствительных к магнитному полю, например, для управления свойствами сверхпроводников.
Как известно, внешнее магнитное поле проникает в сверхпроводник второго рода в виде нитей магнитного потока (абрикосовских вихрей), несущих один квант магнитного потока Ф0 = hc/2e ~ 2.07 * 10~7 Гс-см2. Введение искусственных дефектов является одним из способов контролируемого изменения свойств сверхпроводника. Такими искусственными дефектами могут служить ферромагнитные частицы, расположенных вблизи сверхпроводника. При этом предполагается, что магнитная частица может быть центром пиннинга вихрей в сверхпроводнике, а именно пиннинг абрикосовских вихрей определяет транспортные свойства сверхпроводника.
Практическая реализация этой идеи сталкивается с рядом трудностей. Если над сверхпроводником создать малые частицы (с размерами несколько десятков нанометров) с однородным распределением намагниченности, то магнитное поле, индуцируемое такими частицами, быстро спадает и на поверхности сверхпроводника величина поля пренебрежимо мала. Увеличение размеров частиц ведет к тому, что однородное распределение намагниченности становится неустойчивым, в частицах может существовать только вихревое распределение намагниченности и магнитные поля частиц опять отсутствуют. Для эффективного влияния на сверхпроводник необходимо, чтобы магнитная частица создавала магнитный поток порядка кванта потока, магнитное поле порядка 100 Э и имела субмикронные латеральные размеры, превосходящие масштабы абрикосовского вихря в сверхпроводнике. В то же время решетка наномагнитов должна быть достаточно плотной, и сравнимой с характерным периодом вихревой решетки, определяемым внешним магнитным полем, и составляющим единицы микрон. Таким образом, для эффективного управления сверхпроводником необходимо провести оптимизацию параметров системы ферромагнитных частиц как источника неоднородного
магнитного поля. В частности, необходимо решить вопрос об определении размеров частиц, индуцирующих максимально возможное магнитное поле.
Впервые эксперимент по исследованию пиннинга абрикосовских вихрей на неупорядоченном массиве ферромагнитных частиц, внедренных вглубь массивного сверхпроводника был проведен в 1965 году Алденом и де Женом [17]. В этой работе также были проведены первые расчеты взаимодействия вихревых линий с магнитными диполями, и показано, что пиннинг вихрей на ферромагнитных частицах может привести к росту критического тока и увеличению намагниченности сверхпроводника. Однако эта работа более четверти века не имела продолжения, что можно объяснить отсутствием технологических возможностей изготовления ферромагнитных частиц с заданными магнитными свойствами и малой величиной предсказываемых эффектов.
Новый всплеск интереса к гибридным структурам ферромагнитные частицы -сверхпроводник возник в девяностых годах прошлого века. Началом этого этапа стали практически одновременно появившиеся теоретическая [18] и экспериментальная [19] работы. В этих работах впервые было предложено располагать магнитные частицы над тонкими пленками сверхпроводника, а не в глубине сверхпроводящего массива, как в работе [17]. Подобное расположение частиц позволяет контролировать их магнитное состояние, и строить и исследовать простые теоретические модели для взаимодействия магнитной и сверхпроводящей подсистем. Такая геометрия гибридных систем позволяет ставить и решать новые задачи физики, направленные на исследования взаимодействия ферромагнитных частиц и сверхпроводника, например [20, 21, 22, 23].
Работа [18] открыла цикл теоретических работ [24, 25, 26, 27], посвященных изучению возникновения, взаимодействия и пиннинга абрикосовских вихрей в поле магнитного диполя, расположенного вблизи сверхпроводника. Были установлены критерии образования абрикосовских вихрей под действием магнитного диполя и рассчитано взаимодействие магнитного диполя с вихревой линией, т.е. свойства магнитного диполя как центра пиннинга вихрей. В частности, возникновению сверхпроводящего вихря под действием магнитного диполя способствуют уменьшение толщины сверхпроводящей пленки, уменьшение расстояния между диполем
и сверхпроводящей пленкой, увеличение магнитного момента диполя.
В экспериментальной работе [19] впервые исследовалось влияние периодической двумерной решетки ферромагнитных частиц на свойства тонкой сверхпроводящей пленки. Фактически эта работа определила дальнейшее направление исследований гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник.
Соизмеримость характерных масштабов в сверхпроводнике с периодом решетки и размерами магнитных частиц дает возможность для создания сверхпроводящих систем с контролируемым пиннингом вихрей. При исследовании гибридных систем, состоящих из периодической двумерной решетки наномагнитов и тонкой полоски сверхпроводника, наблюдался ряд интересных эффектов, заключающихся в осцилляторной зависимости сопротивления (критической температуры, намагниченности или критического тока) сверхпроводника от внешнего магнитного поля [19, 28]. Особенности характеристик сверхпроводника существуют при выполнении условия соизмеримости периода da решетки абрикосовских вихрей, определяемого внешним магнитным полем {da ~ (Ф0/Н)05, где Н - напряженность поля), и периода d решетки магнитных частиц. Наблюдение эффектов соизмеримости в этих системах усложняется из-за дефектности реальных сверхпроводящих пленок, которая приводит к искажению решетки абрикосовских вихрей. Для уменьшения влияния этих искажений эксперименты проводятся при температуре Т, очень близкой к температуре сверхпроводящего перехода Тс, т.е., при значениях параметра т = (Тс — Т)/Тс ~ 0.01 — 0.05, что существенно затрудняет практическое использование решетки ферромагнитных частиц для управления пиннингом абрикосовских вихрей.
Одной из основных задач представляемой диссертационной работы является исследование вопроса о влиянии неоднородного магнитного поля системы ферромагнитных наночастиц на "слабые" сверхпроводники ("слабые связи") - джозеф-соновские контакты. В силу малого "собственного" пиннинга джозефсоновских вихрей эта система является более чувствительной к магнитному полю по сравнению с "сильными" сверхпроводниками. Задача о пиннинге, движении, излучении джозефсоновских вихрей в переходах со структурными неоднородностями интересна как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения практических
применений. Динамика джозефсоновских переходов может теоретически изучаться в рамках теории солитонов, называемых в этой ситуации флаксонами (джо-зефсоновскими вихрями, или квантами магнитного потока). При таком подходе естественно возникают аналогии со многими физическими явлениями в физике твердого тела, например [29]. С точки зрения практических применений, одним из важных объектов являются плотно упакованные цепочки флаксонов. Их взаимодействие со структурными неоднородностями переходов может существенно повлиять на многие, в том числе транспортные и высокочастотные свойства джозефсоновских контактов.
Таким образом, исследование свойств джозефсоновских контактов в неоднородном магнитном поле системы ферромагнитных частиц представляет интерес в связи с возможным эффективным управлением транспортными свойствами джозефсоновских переходов. Также вызывает интерес постановка обратной задачи -определение неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц с помощью джозефсоновского перехода.
Взаимодействие джозефсоновских вихрей со структурными неоднородностями проводилось и ранее. Можно выделить две основные группы работ по влиянию локальных неоднородностей на свойства джозефсоновских переходов. Первая группа объединяет исследования по влиянию абрикосовских вихрей на транспортные свойства джозефсоновских контактов. В работах [30, 31] показано, что даже один абрикосовский вихрь, находящийся в одном из электродов контакта, при соответствующих условиях, может так изменить разность фаз между берегами контакта, что критический ток джозефсоновского перехода будет полностью подавлен при нулевом внешнем магнитном поле (при этом цепочки джозефсоновских вихрей еще не существует). В экспериментальной работе [32] показано, что абрикосовские вихри, введенные в область джозефсоновского перехода, могут рассматриваться как локальные магнитные неоднородности, эффективно взаимодействующие с джо-зефсоновскими вихрями. Возможно решение и обратной задачи - определение положения абрикосовского вихря в электроде джозефсоновского контакта по виду зависимости критического тока от внешнего магнитного поля [31, 33, 34].
Вторая группа работ посвящена исследованию влияния искусственных диэлек-
трических неоднороднстей, на свойства джозефсоновских переходов. В частности в работах [35, 36] показано, что соизмеримость пространственного периода решетки неоднородностей с периодом цепочки флаксонов приводят к возрастанию вторичных максимумов на зависимости критического тока от магнитного поля. Такие периодические неоднородности могут так же приводить к синхронизации излучения цепочки движущихся флаксонов [37, 38].
Главное отличие магнитных частиц от других структурных неоднородностей в том, что магнитное поле частиц можно перестраивать путем перемагничивания частиц, т.е. наномагниты являются управляемыми "искусственными" структурными неоднородностями в джозефсоновских переходах. Также отличаются и механизмы влияния ферромагнитных частиц на переходы. Во-первых, возможно возникновение разности фаз в джозефсоновских контактах благодаря проникновению магнитных полей, индуцированных частицами, непосредственно в область перехода. Во-вторых, под действием магнитных частиц могут возникать абрикосовские вихри разных знаков, влияние которых на свойства джозефсоновских переходов еще не изучалось.
Цели и задачи работы
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование влияния магнитного поля, индуцированного ферромагнитными наночастицами, на свойства джозефсоновских переходов различной геометрии и узких сверхпроводящих мостов.
Задачи
Оптимизация параметров системы ферромагнитных частиц как источника неоднородного магнитного поля.
Изготовление гибридных структур ферромагнитные частицы-сверхпровод-ник.
Экспериментальное исследование влияния неоднородного магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства торцевых джозефсоновских переходов.
Экспериментальное исследование влияния магнитного поля системы ферромагнитных наночастиц на свойства планарных джозефсоновских переходов.
Экспериментальное исследование влияния магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства узких сверхпроводящих мостиков.
Методы исследования
Джозефсоновские переходы и узкие сверхпроводящие мосты изготовлены методом магнетронного напыления и стандартными методами фотолитографии. При создании ферромагнитных частиц использовались методы лазерного и термического напыления, методы электронной литографии и процессы плазмохимического и ионного травления. Экспериментальное исследование остаточных состояний распределения намагниченности проведено методами магнитосиловой микроскопии. Для исследования электрофизических свойств сверхпроводящих мостов и джозефсоновских переходов использовался стандартный четырех-контактный метод
измерений. Теоретические расчеты распределения намагниченности в ферромагнитных частицах проводились на основе анализа уравнений Ландау-Лифшица-Гильберта для динамики магнитного момента во внешнем магнитном поле.
Научная новизна
Впервые изготовлены джозефсоновские переходы "идеальной" торцевой геометрии малой емкости.
Экспериментально обнаружено существование критической толщины для эллиптических субмикронных частиц Со, ограничивающих область существования метастабильньгх состояний с квазиоднородным распределением намагниченности.
Изготовлены и исследованы гибридные структуры нового типа, состоящие из ферромагнитных наночастиц и джозефсоновских переходов различной геометрии. В торцевых контактах наблюдался эффект соизмеримости между периодическим магнитным полем частиц и распределением плотности джо-зефсоновского тока. В планарных контактах наблюдалось гигантское (в 5-6 раз) изменение максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц.
Обнаружено, что критический ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля. Обнаружено существование диодного эффекта в этих гибридных системах -величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля.
Положения, выносимые на защиту
азработана методика изготовления джозефсоновских переходов "идеальной" торцевой геометрии малой емкости. Изготовлены джозефсоновские переходы Nb\SiNx\Nb "идеальной" торцевой геометрии с критическим током 10—1000 мкА, нормальным сопротивлением 1—10 Ом и малой емкостью (менее Ю-11 — ю-12 Ф).
Разработана методика изготовления гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник. Изготовлены гибридные структуры: магнитные частицы на торцевых, планарных джозефсоновских переходах и сверхпроводящих мостах.
Экспериментально обнаружено существование критической толщины эллиптических субмикронных частиц Со с аспектным отношением длина/ширина 1.3 — 3, ограничивающей область существования метастабильных состояний с квазиоднородным распределением намагниченности.
В торцевых джозефсоновских контактах обнаружен эффект соизмеримости между периодами магнитного поля частиц и плотности джозефсоновского тока, проявляющийся в возрастании вторичных максимумов на зависимости критического тока от магнитного поля. В планарных джозефсоновских контактах обнаружено гигантское (в 5-6 раз) изменение максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц.
Обнаружено сильное влияние ферромагнитных частиц на зависимость 1С(Н) критического тока узкого сверхпроводящего мостика от внешнего однородного магнитного поля - критический ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля (до ~20%). В этих гибридных системах наблюдался диодный эффект - величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля (величина диодного эффекта достигает ~200%).
Научная и практическая ценность
Разработанные методики изготовления торцевых джозефсоновских переходов и гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник могут быть использованы во многих областях крио- и наноэлектроники. Изготовленные торцевые джозефсоновские переходы Nb\SiNx\Nb с критическим током 10-1000 мкА, нормальным сопротивлением 1-10 Ом и малой емкостью (менее Ю-11 — Ю-12 Ф) могут быть использованы для исследований субмикронных магнитных структур, в СВЧ технике (смесители, умножители и др.), при построении программируемого эталона напряжения и при формировании элементов сверхпроводящей логики. Разработанная методика изготовления магнитных частиц на сверхпроводнике может быть использована при создании различных гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник.
Результаты исследования распределения намагниченности и магнитного поля, индуцированного субмикронными частицами Со, представляют интерес для исследования диаграммы магнитных состояний реальных ферромагнитных наноструктур и в связи с их возможным применением в микроэлектронике.
Проведенные исследования влияния магнитного поля ферромагнитных нано-частиц на свойства джозефсоновских переходов могут быть использованы как для анализа неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц, так и для управления транспортными свойствами джозефсоновских контактов.
Проведенные экспериментальные исследования влияния магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства пленарных джозефсоновских переходов и узких сверхпроводящих мостов представляют интерес в связи с их возможным применением в микроэлектронике. Изготовленные лабораторные образцы могут служить прототипом новых элементов криоэлектроники.
Апробация работы и научные публикации
Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН (Нижний Новгород). Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно обсуждались на семинарах ИФМ РАН, а также были представлены на Междуна-
родном симпозиуме по магнетизму (MISM-2002 - Москва); Всероссийском совещании по физике низких температур (ФНТ-33, 2003 г. - Екатеринбург); международном евро-азиатском симпозиуме "Прогресс в магнетизме" (EASTMAG-2004 - Красноярск); международном совещании по сканирующей зондовой микроскопии (SPM-2004 - Н.Новгород); Белорусском семинаре по сканирующей зондовой микроскопии (БелСЗМ-6, 2004 г. - Минск); симпозиуме Нанофизика и Наноэлек-троника (Н.Новгород, 2005 г.).
По результатам выполненных исследований опубликовано 20 научных работ (б статей в реферируемых журналах и 14 докладов на российских и международных конференциях).
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 132 наименований. Общий объем — 155 страниц, в диссертации приведено 62 рисунка.
В первой главе дан обзор экспериментальных данных и теоретических результатов, посвященных исследованию остаточных распределений намагниченности в ферромагнитных наночастицах. Изложена методика изготовления ферромагнитных частиц на сверхпроводнике. Приведены результаты исследований остаточных состояний распределения намагниченности в эллиптических субмикронных частиц Со.
Во второй главе дан обзор имеющихся к настоящему времени экспериментальных и теоретических результатов, посвященных исследованию гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник. Изложена методика изготовления и приведены результаты экспериментальных низкотемпературных исследований торцевых джозефсоновских переходов Nb\SiNx\Nb. Приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию магнитных полей ферромагнитных наночастиц на свойства торцевых джозефсоновских переходов. Приведены результаты первого наблюдения эффекта соизмеримости между периодами магнитного поля частиц и плотности джозефсоновского тока, проявляющегося в наличии дополнительных максимумов на зависимости 1С(Н)-
В третьей главе приведены результаты исследования свойств планарных джозефсоновских контактов и узких сверхпроводящих мостов в неоднородном магнитном поле системы ферромагнитных частиц. Обнаружено гигантское (более чем в шесть раз) изменение максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц. Наблюдавшиеся изменения "фраунгоферовой" картины планарных джозефсоновских контактов связано с образованием абрико-совских вихрей в верхнем электроде контакта под действием однородно намагниченных частиц.
Обнаружено сильное влияние ферромагнитных частиц на 1С(Н) зависимость критического тока узкого сверхпроводящего моста от внешнего однородного магнитного поля: критический ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля (до 20 %). В этих гибридных системах наблюдался диодный эффект: величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля (величина диодного эффекта достигала 200%).
В Заключении сформулированы выводы, сделанные по результатам работы.
между однодоменным и вихревым состояниями в ферромагнитных дисках
В представляемой диссертационной работе системы магнитных частиц предполагается использовать в качестве источника неоднородного поля для управления транспортными свойствами сверхпроводника. Для эффективного воздействия на сверхпроводящие структуры, такие как джозефсоновские переходы, узкие мосты, необходимо провести оптимизацию параметров систем магнитных частиц именно для этих целей.
Наличие в ферромагнитной частице устойчивых вихревого и одноменного распределений намагниченности позволяет использовать наномагнит в качестве управляемого источника мелкомасштабного магнитного поля. Магнитное поле, индуцированное частицей находящейся вихревом состоянии, практически отсутствует не зависимо от размеров частицы. В то же время магнитное поле, индуцированное частицей находящейся в однородном состоянии, должно быть максимально возможным. Одним из вариантов увеличения магнитного поля и магнитного потока, создаваемых частицей, является увеличение размеров наномагнита, в частности увеличение толщины частицы h. Также, из общих соображений понятно, чтобы частица эффективно влияла на сверхпроводник, поток создаваемый частицей должен быть сравним с квантом магнитного потока.
В параграфе 2 этой главы дан обзор экспериментальных данных и теоретических результатов, посвященных исследованию остаточных распределений намагниченности в ферромагнитных наночастицах и переходам между однодоменным и вихревым состояниями в частице. Для того чтобы, ферромагнитная частица удовлетворяла вышеприведенным требованиям, она должна иметь субмикронные латеральные размеры и толщину порядка нескольких десятков нанометров.
Таким образом, необходимо знать распределение магнитного поля частицы на масштабах сравнимых с ее толщиной, много меньшей латеральных размеров. В этом случае необходимо решать точную задачу магнитостатики. Следует отметить, что увеличение толщины частицы приводит к росту магнитного поля и потока, создаваемого частицей. Однако рост толщины наномагнита приведет к тому, что однородное состояние частицы станет неустойчивым. Из вышесказанного следует, что диапазон в котором могут изменяться размеры частицы мал и ограничен условиями эффективного влияния на сверхпроводник. Таким образом, можно сформулировать следующие задачи, требовавших решения.
1. Экспериментальное исследование остаточных состояний субмикронных ферромагнитных частиц.
2. Расчет магнитного поля, индуцированного однородно намагниченной ферромагнитной частицей, в частности зависимость магнитного поля от толщины частицы h для условий, отвечающим геометрии реального эксперимента.
В параграфе 3 описана методика изготовления ферромагнитных частиц, в том числе и на сверхпроводнике. В параграфе 4 приведены результаты исследований остаточных состояний распределения намагниченности в эллиптических субмикронньгх частицах Со методами магнитосиловой микроскопии. Определены размеры частиц, в которых могут существовать различные магнитные состояния (однородное и вихревое). В параграфе 5 представлены результаты расчетов магнитного поля, индуцированного однородно намагниченной частицей, на масштабах сравнимых с ее толщиной, много меньшей латеральных размеров и для параметров, отвечающих условиям реального эксперимента. Проведен расчет магнитного поля, индуцированного однородно намагниченной частицей, на некоторой плоскости, что позволяет оценить величину магнитного поля частицы на поверхности сверхпроводника. Проведены расчеты среднего магнитного поля, индуцируемого магнитной частицей, когда частица расположена на торцевом или планарном переходе.
Будем рассматривать случай, когда кристаллическая анизотропия ферромагнетика равна нулю. Тогда основное состояние определяется конкуренцией магни-тостатического и обменного взаимодействий. Как уже говорилось, в зависимости от радиуса R и толщины ферромагнитных нанодисков /г, основным состоянием на-номатнита может быть однородное или вихревое распределение намагниченности [10].
На рис.іа представлена диаграмма основных состояний нанодисков в плоскости высота-радиус , взятая из работы [42]. Из рисунка видно, что диаграмма разделяется на три области. В области I намагниченность лежит в плоскости частицы, в области II намагниченность перпендикулярна плоскости частицы и в области III основным является вихревое или многодоменное состояние. Состояния частицы в областях I и II являются однодоменными. Как следует из этой диаграммы, при увеличением радиуса диска получить однодоменное состояние становится все трудней - необходимо существенно уменьшать толщину частицы, что, как будет показано ниже, уменьшает магнитное поле, индуцированное частицей.
Заметим, что в частицах с размерами порядка 100 нм, (т.е. превосходящими обменную длину), наличие границ приводит к тому, что более энергетически выгодными являются квазиоднородные распределения намагниченности, когда намагниченность "отслеживает" форму частиц, что уменьшает магнитостатическую и полную энергию состояния, по сравнению с однородным распределением намагниченности. Наиболее известны три квазиоднородных распределения намаг-ниченности,полученньгх в численных экспериментах, С-, -состояния и "луковая рубашка" ("onion" state), см. рис.2. На рис.ІЬ представлена диаграмма основных состояний нанодисков, в которой выделены эти квазиоднородные состояния (из работы [43]).
Наиболее сильно влияние границ проявляется в частицах не симметричной геометрии - имеющих форму усеченных пирамид и т.п [44]. Однако, магнитные свойства частиц с квазиоднородным и однородным состояниями принципиально не различаются. С точки зрения создания магнитного поля подобные магнитные распределения являются однодоменными. Прямое экспериментальное наблюдение квазиоднородных распределений практически не возмоясно, как из-за их малого отличия от однородного распределения, так и из-за наличия различных дефектов в реальных образцах.
Магнитные частицы над сверхпроводящими пленками
В этой главе дан обзор имеющихся к настоящему времени экспериментальных и теоретических результатов, посвященных исследованию гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник. Приведены результаты экспериментальных исследований по влиянию магнитных полей ферромагнитных наночастиц на свойства торцевых джозефсоновских переходов.
Исследование физических явлений, возникающих, когда две системы с сверхпроводящим и ферромагнитным состояниями соединены в единую гибридную систему ферромагнетик - сверхпроводник (ФС), является одним из активно развивающихся направлений физики твердого тела. В гибридных системах, изготовленных из веществ с различными свойствами, сильное взаимодействие между подсистемами может существенно изменить состояния каждой из составляющих подсистем. Развитие нанотехнологии и открытие новых возможностей изготовления и исследования магнитных и сверхпроводящих наноструктур стимулировали новые теоретические и экспериментальные исследования гибридных структур ферромагнетик-сверхпроводник. Исследования магнитных наноструктур (массивов частиц или тонких ферромагнитных слоев [71]), взаимодействующих со сверхпроводником, показали наличие в таких комбинированных системах целого ряда интересных явлений, вызванных взаимным влиянием магнитной и сверхпроводящей подсистем друг на друга.
Можно выделить два основных механизма взаимодействия сверхпроводящей и магнитной подсистем. Первый механизм - электромагнитный (магнитостатиче-ский) - связан с взаимодействием между подсистемами через медленно спадающие поля рассеяния [72]. Создаваемое частицами или ферромагнитным слоем сильно неоднородное магнитное поле частично проникая в сверхпроводник, индуцирует в нем экранирующие мейснеровские токи. В свою очередь, токи в сверхпроводнике создают магнитное поле, которое может оказывать влияние на распределение намагниченности, формировать различные типы магнитного упорядочения [73], вызвать перестройку доменной структуры ферромагнетика [74] и изменять основное состояние распределения намагниченности в ферромагнитной частице [75].
Вторым механизмом является обменное взаимодействие магнитных моментов с куперовскими парами, приводящее к взаимному подавлению ферромагнитного и сверхпроводящего параметров порядка [76, 77]. Исключить взаимное подавление параметров порядка сверхпроводящей и ферромагнитной подсистем можно, например, разделив их тонкой, но непроницаемой пленкой диэлектрика. Если ферромагнетик и сверхпроводник пространственно разделены тонкой диэлектрической прослойкой, то эффект близости отсутствует и единственным механизмом, определяющим взаимодействие подсистем, остаются магнитные поля, создаваемые ферромагнетиком и сверхпроводником.
На сегодняшний день наиболее известны два направления исследования гибридных ФС структур без эффекта близости. Во первых, это исследование процессов возникновения и пиннинга абрикосовских вихрей в сверхпроводящих пленках под действием магнитного поля ферромагнитных частиц. Во вторых, это исследование влияния ферромагнитных частиц (или доменных границ сплошной пленки) на поверхностную сверхпроводимость (наведенная сверхпроводимость, образование локализованных каналов) [21, 22, 23].
В диссертации предлагается новый тип гибридных систем, состоящих из ферромагнитных наночастиц на джозефсоновских переходах различной геометрии. На рис.18 схематически изображены два типа джозефсоновских контактов с ферромагнитными частицами, один из которых принято называть торцевым (рис. 18а), а другой - планарным (рис.18Ь). Механизм влияния магнитной системы на джо-зефсоновский переход основан на том, что магнитное поле частиц, проникая в переход, может изменить разность фаз параметра порядка между берегами перехода, определяющую свойства джозефсоновского контакта. Приведенные в главе 1 ( 1.5) оценки показывают, что среднее по площади перехода магнитное поле, индуцированное однородно намагниченными частицами, пропорционально толщине (a)
Схематическое изображение джозефсоновских контактов с ферромагнитными частицами: (а) торцевой контакт; (Ь) планарный ("overlap") контакт. частиц и магнитное поле, создаваемое однородно намагниченной частицей, прямо пропорционально толщине частицы и обратно пропорционально толщине (длине) торцевого (планарного) перехода.
Торцевые переходы по существу представляют собой разрез в сверхпроводящей пленке (стык двух сверхпроводящих пленок), как показано на рис. 18а. В торцевых контактах (рис. 18а), -компонента среднего магнитного поля частиц обратно пропорциональна размеру перехода в направлении оси Oz (толщине L, см. рис. 18а). Этот размер мал (в нашем случае 100 нм), и среднее магнитное поле в переходе порядка среднего магнитного момента решетки частиц.
В планарных контактах (рис.18Ь), у-компонента среднего магнитного поля обратно пропорциональна размеру перехода вдоль оси Оу (длине W, см. рис.18Ь), составляющему в наших контактах 10 мкм. В этом случае среднее магнитное поле, индуцируемое частицами в контакте, примерно в 100 раз меньше, чем в случае торцевого контакта. Если пренебречь этим малым полем, единственной возможностью создания джозефсоновской разности фаз в планарном контакте под действием ферромагнитных частиц является образование абрикосовских вихрей в сверхпроводнике.
Методика изготовления и исследование свойств торцевых джозеф-соноских контактов
Схематическое изображение джозефсоновских контактов с ферромагнитными частицами: (а) торцевой контакт; (Ь) планарный ("overlap") контакт. частиц и магнитное поле, создаваемое однородно намагниченной частицей, прямо пропорционально толщине частицы и обратно пропорционально толщине (длине) торцевого (планарного) перехода.
Торцевые переходы по существу представляют собой разрез в сверхпроводящей пленке (стык двух сверхпроводящих пленок), как показано на рис. 18а. В торцевых контактах (рис. 18а), -компонента среднего магнитного поля частиц обратно пропорциональна размеру перехода в направлении оси Oz (толщине L, см. рис. 18а). Этот размер мал (в нашем случае 100 нм), и среднее магнитное поле в переходе порядка среднего магнитного момента решетки частиц.
В планарных контактах (рис.18Ь), у-компонента среднего магнитного поля обратно пропорциональна размеру перехода вдоль оси Оу (длине W, см. рис.18Ь), составляющему в наших контактах 10 мкм. В этом случае среднее магнитное поле, индуцируемое частицами в контакте, примерно в 100 раз меньше, чем в случае торцевого контакта. Если пренебречь этим малым полем, единственной возможностью создания джозефсоновской разности фаз в планарном контакте под действием ферромагнитных частиц является образование абрикосовских вихрей в сверхпроводнике.
Таким образом, влияние магнитных полей частиц на торцевые и планарные переходы имеет принципиально разный физический характер. В случае торцевого перехода, магнитное поле частиц проникает в переход и непосредственно мо дулирует разность фаз параметра порядка между берегами перехода- В случае планарной геометрии перехода, наличие магнитных частиц может привести к образованию абрикосовских вихрей в электроде контакта и их пиннингу на частицах.
В параграфе 2.2 этой главы приведен обзор имеющихся к настоящему времени основных экспериментальных и теоретических результатов, посвященных исследованию гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник. Обсуждены основные проблемы, связанные с практическим использованием подобных гибридных систем. Рассмотрена возможность использования магнитных частиц в качестве центров пиннинга джозефсовских вихрей в джозефсоновских переходах. Дан обзор основных экспериментальных и теоретических результатов исследования влияния абрикосовских вихрей на свойства пленарных джозефсоновских контактов. В параграфе 2.3 на основе простой модели проведен расчет зависимости критического тока от внешнего поля для торцевых переходов с цепочкой магнитных частиц. В параграфе 2.4 описана методика изготовления торцевых джозефсоновских контактов Nb\SiNx\Nb. В параграфе 2.5 представлены результаты экспериментальных исследований влияния магнитных полей ферромагнитных наночастиц на свойства торцевых джозефсоновских переходов. Показано, что результаты расчета и эксперимента находятся в хорошем соответствии.
Результаты экспериментальных исследований влияния магнитных полей ферромагнитных наночастиц на свойства планарных джозефсоновских переходов представлены в Главе 3.
Первые экспериментальные работы по гибридным структурам ферромагнитные частицы - сверхпроводник были сфокусированы на исследовании пиннин-га абрикосовских вихрей периодической решеткой магнитных частиц, в случае, когда тонкая сврехпроводящая пленка расположена над массивом частиц [19, 28, 78, 79, 80, 81, 82]. В подобных структурах, также, наблюдались эффекты соизмеримости решеток вихрей и наномагнитов при исследовании транспортных свойств [19, 28, 78, 79, 80, 81]. Эти эффекты соизмеримости не являются уникальными именно для магнетика, взаимодействующего со сверхпроводником и впервые наблюдались в текстурированных сверхпроводящих пленках. Первые эксперименты с подобными пленками были проделаны в семидисятых годах прошлого века. В этих экспериментах исследовалась соизмеримость периода вихревой решетки, задаваемого внешним магнитным полем, с периодом решетки искусственных дефектов. Для этих целей Мартиноли и др. [83] использовали углубления в сверхпроводящей пленке, а Хебарт и др. [84] использовали массив сплошных отверстий в пленке. Исследования текстурированных сверхпроводников были продолжены девяностых годах [85, 86] и продолжаются до сих пор [81, 87, 88, 89]. Таким образом, при исследовании образцов состоящих из решетки частиц, покрытых сверхпроводящей пленкой, наблюдавшиеся эффекты соизмеримости могли быть обусловлены как периодическим магнитным полем решетки частиц, так и периодической структурной неоднородностью сверхпроводящей пленки.
Модель диодного эффекта для узких сверхпроводящих мостов с наномагнитами
Ранее проводились исследования влияния абрикосовских вихрей на планарные переходы типа "сэндвич" ("overlap") и "крест" [31, 33, 97, 98], см. рис.39.
В экспериментах с контактами типа "крест" барьером являлся нормальный металл (структура сверхпроводник-нормальный металл-сверхпроводник, S-N-S), и толщина нормального слоя составляла десятки (сотни) нанометров. Положение абрикосовского вихря в верхнем электроде менялось с помощью тока, пропускаемого только через этот электрод. В дальнейшем положение вихря регистрировалось с помощью пропускания тока через джозефсоновский переход. В этих экспериментах возможно даже определение положения одиночного абрикосовского вихря по виду фраунгоферовой картины [31].
Эксперименты с туннельными контактами типа "сэндвич", в которых барьером являлся слой диэлектрика толщиной 2-3 нм (структура сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник, S-I-S), показали, что влияние абрикосовских вихрей на свойства контактов невелико [34, 98]. Можно предположить, что в планарных S-I-S переходах в обоих электродах контакта возникают соосные абрикосовские вихри, и их влияние на свойства перехода пропорционально отношению площади кора вихря к площади контакта, которое в типичных экспериментальных условиях очень мало.
С развитием технологии изготовления переходов, широкое распространение получили "overlap -контакты на основе ниобия с диэлектрической прослойкой оксида алюминия АЮХ. Особенностью технологического процесса изготовления подобных переходов является то, что нижний электрод покрывается толстой пленкой (около 10 нм) А1, верхний слой которой в дальнейшем окисляется естественным образом. На поверхности пленки АХ образуется диэлектрический слой АЮХ толщиной 2-3 нм, служащий диэлектрическим барьером и определяющий основные транспортные свойства джозефсоновского перехода. Нанесение толстой пленки А1 позволяет сгладить шероховатости пленки Nb, что делает возможным изготовление переходов высокого качества. Таким образом, подобные переходы Nb\Al\AlOx\Nb имеют структуру сверхпроводник-диэлектрик-нормальный металл-сверхпроводник, S-I-N-S. Расстояние между электродами в таких переходах, или суммарная толщина прослойки А1\А10Х, составляет около 12 нм, что делает возможным образование абрикосовских вихрей только в одном из электродов.
В институте физики и технологии Йены (Германия) была изготовлена серия планарных ("overlap") переходов Nb\Al\AlOx\Nb. Переходы изготовлялись по стандартной интегральной технологии, описанной в [113]. Переходы имели следующие геометрические параметры: толщина нижнего электрода и подводящих проводов около 100 нм; толщина верхнего электрода порядка 30 нм; толщина прослойки между электродами джозефсоновского перехода А1\АЮХ около 12 нм, латеральные размеры перехода 20 х 15 мкм. Верхний электрод джозефсоновских переходов покрыт тонким слоем диэлектрика толщиной 50 нм.
Главной отличительной чертой изготовленной серии переходов является малая, по сравнению с лондоновской глубиной проникновения, толщина верхнего электрода, что облегчает возникновение абрикосовских вихрей в области перехода [24, 25]. (Обычно толщина верхнего электрода составляет 100-200 нм [113]).
Измерения электрофизических свойств переходов проводились в гелиевом криостате стандартным четырех-контактным методом. Критическая темлерату 101
BAX планарного перехода Nb\Al\AlOx\Nb. pa переходов составляла около 7 К. Типичная вольт-амперная характеристика изготовленных переходов Nb\Al\AlOx\Nb приведена на рис.40. Толщина диэлектрической прослойки джозефсоновского перехода подобрана таким образом, что плотность критического тока составляет 102 А/см2. при плотности тока 102 А/см2 составляет 50 мкм, что превышает ширину перехода, т.е. контакты являются короткими. Зависимость критического тока переходов от внешнего магнитного поля 1С(Н) близка к обычной "фраунгоферовой" картине, см. рис.41. Период осцилляции дифракционной картины на графике 41 составляет 12 Гс что близко к периоду, полученному из расчета "эффективной" площади джозефсоновского контакта по простой формуле S = Wdeff [96] и составляющему 15 Гс. В этом расчете использовалось табличное значение лондоновской глубины проникновения объемного ниобия XL RS 50 нм [114], т.е. deff = 2Ai + А Й; ПОНМ (Л- толщина прослойки между электродами).
Для экспериментального исследования влияния неоднородного поля ферро 102 Зависимость /С(Я) для планарного перехода Nb\Al\AlOx\Nb (на вставке схематически изображена геометрия эксперимента). магнитных частиц на критический ток планарных джозефсоновских контактов, на верхнем электроде одного из переходов была изготовлена прямоугольная решетка из 100 эллиптических частиц Со. Латеральные размеры частиц составляли 300 х 600 нм при толщине 27 нм. Размер ячейки решетки составлял 1 х 1.5 мкм. На рис.42 приведено электронномикроскопическое изображение исследуемой системы во вторичных электронах. Область перехода выделена на рисунке пунктирной линией. Часть решетки частиц попала на подводящий провод, что несущественно для наших измерений.
Измерения зависимости /С(Я) проводились стандартным 4-х зондовым методом при температуре 4.2 К. Магнитное поле прикладывалось в плоскости контакта, параллельно направлению сверхпроводящего тока в электродах. Различные магнитные состояния приготавливались путем намагничивания системы в различных направлениях при комнатной температуре в однородном магнитном поле величиной 20 кЭ или с помощью зонда магнитосилового микроскопа. Магнитное состояние частиц контролировалось с помощью магнитосилового микроскопа до и
SEM изображение планарного контакта Nb\Al\AlOx\Nb с ферромагнитными частицами Со (пунктиром выделена область перехода). после низкотемпературных измерений. Частицы, указанных размеров, могут находится как в вихревом, так и в однородно намагниченном состояниях.
На рис.43 - 45 приведены результаты измерения зависимости критического тока от внешнего магнитного поля для различных состояний намагниченности решетки частиц. В случае, когда частицы находятся в вихревом состоянии, зависимость 1С(Н) имеет тот же вид, что и для перехода без частиц, см. рис.41 и рис.43. Качественно иная ситуация наблюдается в случае, когда большинство частиц решетки однородно намагничены, см. рис.44.
Во-первых, видно, что центральный пик фраунгоферовой картины раздвоен и смещен относительно нулевого магнитного поля, а его амплитуда более чем в шесть раз меньше, чем в предыдущем случае, см. рис.45.
