Введение к работе
і. .
Актуальность темы.
Природа высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) до сих пор остается предмеюм пристального внимания и интенсивных дискуссий. Важность ее изучения обуславливается рядом преимуществ ВТСП материалов перед классическими сверхпроводниками в области технических применений. Большое значение сверхпроводящей щели у высокотемпературных сверхпроводников, превосходящее более чем на порядок аналогичную величину у классических сверхпроводящих, материалов, а также необычайно высокое значение критической температуры открывают широкие возможности для существенного улучшения эксплуатационных параметров джозефсоповских контактов, созданных на основе ВТСП материалов. Увеличение щелевого параметра расширит частотный диапазон джозефсоповских контактов, а также приведет к заметному увеличению выходного сигнала и расширению динамического диапазона квантовых интерферометров на базе ВТСП. В сочетании с высокими температурами эксплуатации джозефсоповских ВТСП - контактов перечисленные выше достоинства этих устройств позволяют надеяться на их быстрое внедрение в современную криоэлектронную технику. В связи с этим возникла острая необходимость подробного экспериментального исследования электромагнитных свойств джозефсоновских ВТСП контактов в широкой области частот.
Одной из уникальных особенностей джозефсоновских ВТСП контактов с Тс ~ 100 К является то. что при достаточно низких
температурах диапазон частот переменного джозефсоновского тока полностью перекрывает диапазон фононных частот в ВТСП -материалах. Появляется принципиальная возможность наблюдения сильного нелинейного взаимодействия переменного джозефсоновского тока даже с наиболее высокоэпергичными фонокшьши модами кристаллов. В настоящее время делаются попытки экспериментального и теоретического исследования этого явления, однако, конкретный физический механизм и тип фононных мод ( рамші - активные или ик - активные фонолы ), вовлеченных в это взаимодействие, остаются неясными.
Большое число экспериментальных и теоретических работ
посвящено исследованию симметрии параметра порядка и
механизма спаривания в В ГСП - материалах. Весьма убедительные
данные приводятся в пользу так называемой d-симметрийной
модели, согласно которой высокотемпературная
сверхпроводимость является двумерным эффектом и локализована в СиОг плоскостях, причем в качестве наиболее вероятного механизма спаривания предлагается спаривание на антиферромагнитных флуктуациях. Согласно d-симметрийной модели щель в Си02 плоскости сильно анизотропна, и существуют направления, по которым щель зануляется. Кроме того, при переходе от направления а к b параметр порядка меняет знак т.е. фаза волновой функции меняется на 180. Такая угловая зависимость принципиально отличается от угловой зависимости щелевого параметра в классической s-симметрийной модели, предполагающей электрон-фононный механизм спаривания. Отмстим, что в ряде экспериментальных работ указывается на
существеннын вклад s-симметрийного спаривания в симметрию параметра порядка в ВТСП.
Для получения окончательного ответа на вопрос, какова
симметрия парадіетра порядка и высокотемпературных
сверхпроводниках, в настоящее время используются эксперименты, чувствительные к анизотропии параметра порядка и к его знаку. К подобным экспериментам относятся, в частности, исследования спектров андреевского отражения электронов от S-N интерфейсов ВТСП-мйкрокоптактов.
Цель и задачи исследования.
Цель настоящей работы состояла в экспериментальном исследовании влияния специфики ВТСП - материалов на электромагнитные свойства джозефсоновских ВТСП - контактов и на характер андреевского отражения в ВТСП - контактах в микроконтактном режиме. Для этого проводились следующие измерения:
1. Измерения 1(V)- и dI(V)/dV- характеристик контактов на
микротрешине в монокристаллах УВагОнС^, УЬВа2Сиз07 и
'ПгВагСагОізОю, в пластинчатых монокристаллах и вискерах
BbSr2Ca|Cu20s, а также в поликристаллических образцах Bi-Sr-Ca-
Cu-0 ( 2212- и 2223 - фазы) в мшроконтактном и туннельном
режїШМ 'фи гелиевых температурах.
2. Измерения 1(У)- и dI(V)/dV- характеристик
джозефсоновских контактов на микротрещине в монокристаллах
YBa2Cu307, YbBa2CuiO- и Tl2Ba2Ca2Cu30io в слабых магнитных
полях и во внешнем СВЧ - поле при Т = 4,2 К.
3. Измерения I(V)- и dI(V)/dV- характеристик джозефсояовских контактов на микротрещине в монокристаллах Bi3Sr2CajCu20s при токе в с - направлении в интервале температур от Т = 4,2 К до Тс.
Результаты измерений использовались для решения следующих основных задан:
1. Определения характерных особенностей субгармонической
щелевой структуры на ВАХ ВТСП - микроконтактов при Т = 4,2 К
с целью проверки типа симметрии параметра порядка в ВТСП -
ма і ериалах.
2. Определения величины щелевого параметра А из
микроконтактных и туннельных характеристик, полученных на
одних и тех же ВТСП - образцах, для оценки достоверности
значения Д.
-
Определения из экспериментальных данных по геометрическим резонансам Фиске скорости распространения электромагнитной волны в джозефсоновском ВТСП - контакте с* (скорости Свихарта), "электрической " толщины контакта dj/sj , добротности контакта Q г! поверхностного сопротивления ВТСП -материала Rs.
-
Определения основных особенностей резонансной струкпры на ВА X джозефсояовских Bi-Sr-Ca-Cu-0 - контактов ( ] jj с ), вызванной сильным нелинейным взаимодействием переменного джозефсоповского тока с оптическими фононними модами кристалла.
Научная павіана работы.
В результате проведенных в диссертационной работе экспериментальных исследований получены следующие новые результаты:
1. Форма субгармонической щелевой структуры, вызванной
многократными андреевскими отражениями от S-N- интерфейсов
ВЇСП- микроконтактов, указывает на существование резкой
границы сверхпроводящей щели в исследованных ВТСП-
материалах. Этот результат позволяет сделать предположение о
существенном вкладе s- симметришгото спаривания в симметрию
параметра порядка в В і СП.
-
Величины щелевого параметра Л, определенные для исследованных В ГСП- контактов в микроконтактном и гуннелыгом режимах, совпадают в пределах экспериментальных погрешностей, что указывает на высокую достоверность экспериментального значения щели.
-
У исследованных джозефсоновских ВТСІІ- контактов отношение скорости' Свихарта к скорости электромагнитной волны в вакууме с*/с« при Т = 4,2 К находится в пределах 0,01 + 0,05, а "электрическая" толщина составляет (dt/ s() ~ 0,! им.
4. Полученные в настоящей работе данные в сочетании с
данными других авторов позволяют заключить, что при Т = 4,2 К
частотная зависимость поверхностного сопротивления ВТСП-
матерна.тов близка к квадратичной Rs - F" в интервале частот F до
700 ГГц.
-
При гелиевых температурах и в слабых магнитных полях на ВАХ джозефсоновских кошактов на микротрещине в совершенных монокристаллах УЬВагСизО?, позволяющих получить практически зеркальные криогенные сколы, обнаружены субгармонические ступеньки Фиске, предсказанные Вертхаммером и Шапиро.
-
Получены доказательства того, что локальное ветвление ВАХ джозефсоновских Bi-Sr-Ca-Cu-O- контактов при токе в с-направлении (тонкая структура) является следствием неупругого туннслнрования кунеровских пар, которое проявляется в сильном нелинейном взаимодействии переменного джозсфсоновского тока с раман- активными оптическими фононными модами кристалла и сопровождается эмиссией когерентных неравновесных фононов.
-
Обнаружено, что при больших плотностях тока ( j |) с ) генерация неравновесных фононов, обладающих сильным распаривающим действием, приводит к "захвату" квазичастичной ветви ВАХ электрон- фононными резонансами.
Основные положения, выносимые на защиту:
1, Большое число и резкая форма особенностей,
составляющих субгармоническую щелевую структуру на ВАХ
В ГСП- микроконтактов, свидетельствует о существенном вкладе s-
еимметршшого спаривания в симметрию параметра порядка в
В ГСП.
2. Совпадение значений щели А, полученных на одних и тех
же ВТСП - контактах в туннельном и микроктактном режимах,
указывает на высокую надежность определения этого параметра.
Последнее позволяет рассчитать с хорошей точностью величину
отношения 2Л/кТс для различных ВТСП материалов: 2Д/кТс = 7 + 8 у пластинчатых монокристаллов, вискеров и поликрисгаллических образцов Bi-Sr-Ca-Cu-O (2212- и 2223- фазы), 2Л/кТс = 8 4- 9 у монокристаллов УВа2Сиз07 и YbBa2Cu307, 2Д/кТс = 9 і 1 у монокристаллов ТЫЗагСагСизОю.
-
При гелиевой температуре джозефсоповские контакты па микротрещине в совершенных монокристаллах ВТСП имеют достаточно высокую добротность Q ~ 10, что позволяет надежно регистрировать на ВАХ контактов в слабых магнитных полях геометрические резолансы Фиске. Данные, полученные при исследовании этих резонансов, использованы в работе для расчёта скорости Свихарта, "электрической" толщины контакта, его добротности н поверхностного сопротивления сверхпроводящих берегов контакта при частотах до 700 Ггц. Установлено, что частотная зависимость поверхностного сопротивления ВТСП близка к квадратичной: Rs ~ F2.
-
В работе получены данные, позволяющие предположить, что характерная тонкая структура резонансного характера на ВАХ джозефсоновскик - контактов при токе в с- направлении вызвана сильным нелинейным взаимодействием переменного джозефсоиовского тока с раман- активными оптическими фопоішмми модами. В области резонансов неупругое туннелирование куперовских пар сопровождается генерацией когерентных неравновесных фоноиов, обладающих сильным распаривающим действием. При больших плотностях тока эмиссия неравновесных фоноиов приводит к "захвату" квазичастичной ветви ВАХ электрон- фоионными резонансами.
Практическая ценность результатов работы.
Полученные в работе результаты содержат новые сведения о симметрии параметра порядка и о специфике электронного транспорта в ВТСП. В работе установлено, в частности, что неупругое туннедарование куперовских пар в с- направлении, сопровождающееся эмиссией неравновесных фопоиов, может служить эффективным каналом диссипации энергии при больших плотностях тока и должно учитываться при исследовании "внутреннего" эффекта Джозефсона в ВТСП и при расчетах поверхностного сопротивления ВТСП. Электрон- фононные резонансы при токе в с- направлении в джозефсоновских ВТСП-контактах могут быть использованы для создания генераторов когерентных высокоэнергичных фононов, работающих при низких температурах.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
' Международном симпозиуме по сверхпроводимости,
ISS'94, Япония, 1994;
Международной конференции по физике и химии
молекулярных и оксидных сверхпроводников-, MOS'96, Карлсруэ,
Германия, 1996.
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Структура и объем диссертации.