Введение к работе
Актуальность темы. Кристаллические структуры, образованные чередованием слоев различных металлов или металла и магнетика-является новым классом слоистых веществ с уникальными электронными и магнитными свойствами, зависящими как от типа материалов, входящих б сверхструктуры, называемые сверхрешетками, так и от кк толщин. Современные технологии изготовления слоистых структур, такие как молекулярно лучевая эпитаксия, позволяют наносить слои атомной толщины и тем самым - 'управлять" их свойствами. Этим искусственно-слоистые сверхреїж/ки выгодно отличаются от естественных слоистых соединений, таких как высокотемпературны,? сверхпроводники, дихаль-когениды переходных металлов или борскарбиды. Понижение размерности в слоистых системах должно приводить к возникновению ряда конкурирующих взаимодействий и явлений, совместное наблюдение которых в однородных материалах иногда попросту невозможно. Особенно большое внимание в свяии с этим сейчас уделяется проблеме сосуществования и взаимного влияния сверхпроводимости *» ферромагнетизма в слоистых структурах, полученных чередованием слоев ферромагнитного материала CF) и сверхпроводника CS). Кроме того, в связи с открытием явления высокотемпературной сверхпроводимости существенно возрос и получил новую мотивацию интерес к проблеме эффекта близости в биметаллических сверхрешетках нормальный метаг і/сверхпроводник CN/S). Однако, несмотря на интенсивно г
Анализ экспериментов оо сверхрилеткаіш ».
модели БКШ с обрезанием эффективного взаимодействия на дебаевской частоте o>D, не позволяет объяснить загадочного исчезновения сверхпроводимости при уменьшении периода сверхрешетки Mo/V ниже 70 ft. В этой системе оба металла являются сверхпроводниками и ее Тс казалось бы не может быть ниже критической температуры худшего из них.
Антагонизм сверхпроводимости и ферромагнетизма делает совершенно нетривиальной проблему их сосуществования и взаимной подстройки в контактах и сверхрешетках F/S. При этом необходимо различать слоистые структры FD/S CFD - ферромагнитный диэлектрик) и FM/S CFM -ферромагнитный металл). В частности, биметаллические структуры FM/S обладают рядом новых уникальных физических свойств, существенно отличных от свойств, обсуждавшихся выше N/S-систем. Анализ недавних экспериментов с мультислоями FM/S свидетельствует о качественно различном поведении зависимости критической температуры Тс от толщины ферромагнитных прослоек df для одних и тех же по составу структур FM/S. Так, если, в одних экспериментах на системах Fe/V (Кооге-waar et al., 1994) и Gd/Nb CStrunk et al. , 1994) быстрое начальное понижение Tc с ростом df сменяется последующим выходом на плато, то в других экспериментах на этих же системах С Wong et al., 1986 и Jiang et al., 1995) выходу на плато предшествует осциллирующее поведение TcCdf). Теоретическая интерпретация осцилляции Tc(df) в работах CRadovic et al. , 1991; Буздин и др., 1992) сводилась к периодическому "переключению" типа сверхпроводимости с традиционного "0"-фазного на "л"-фазный, где знак параметра порядка Д при переходе через прослойки FM меняется на противоположный. Однако данные теории справедливы* лишь для случая высокой прозрачности FM/S -границы и соответствуют крайне грязному пределу ферромагнитного металла, когда 21т. «: 1, где I - обменное поле, а т"1 - частота столкновений электронов с немагнитными примесями. Поэтому они не позволяют с единых позиций описать два различных типа поведения функции Tc(df). Более того, недавно было обнаружено, что осцилляции TcCdf) имеют место и в трехслойной структуре Fe/Nb/Fe (Muhge.et al. 1996) где "п"~ фазная сверхпроводимость в принципе невозможна. В связи с этим особенно остро встает вопрос о механизме сверхпроводимости в FM/S-системах и о природе немонотонной зависимости Т Cdf).
Аналогичные проблемы, связанные с конкуренцией ферромагнетизма и сверхпроводимости, возникают и в FD/S-системах. В частности, не ясна природа внутренних полей, вызывающих расщепление БКШ-пика в плотности состояний квазичастйц алюминия в контактах EuO/Al CTedrow
et al. , 1985) и EuS/Al CHao et al. , 199D, где EuO и EuS являются ферромагнитными диэлектриками. Это расщепление наблюдается как избыточное (дополнительное к зеемановскому) в присутствии внешнего магнитного поля и выходит на насыщение при его росте. С увеличением магнитного поля в данных FD/S-контактах происходит фазовый .переход первого рода в нормальное состояние, хотя теория CTokuyasu et al., 1988) для данной области полей предсказывает переход второго рода.
Наличие внутреннего поля, вызывающего расщепление БКШ-пика в плотности состояний квазичастиц в FD/S-контактах EuO/Al, EuS/Al и выход его на насыщение в магнитном поле могут быть объяснены неоднородным магнитным упорядочением, наведенным в ферромагнитной пленке сверхпроводящей подложкой. Кроме того, недавно обнаруженное аномально слабое подавление сверхпроводимости в сверхрешетках EuO/V CRoesler et al. , 19943 также может быть интерпретировано в терминах взаимного влияния сверхпроводимости и ферромагнетизма. Поэтому вопрос о механизме межслойной обменной связи в мультислоях FD/S является одним из ключевых для понимания эффектов, связанных с сосуществованием и взаимной подстройкой двух конкурирующих типов дальнего порядка. Таким механизмом, обеспечивающим дальнодействующую связь между локализованными спинами, принадлежащими одной и той же FD/S-границе, а также между локализованными спинами соседних FD/S-границ в сверхрешетках может служить косвенный обмен РККИ через электроны проводимости сверхпроводящих прослоек.
Следовательно, в настоящее время нет достаточно полной и последовательной теории эффекта близости в слоистых N/S-, FM/S- и FD/S-структурах, которая служила бы основой для интерпретации уже имеющихся опытных данных и постановки новых экспериментов в этой быстро прогрессирующей области физики твердого тела. Необходимость построения такой теории и разработки новых моделей эффекта близости в данных системах убеждают в актуальности выбранной темы исследований.
Поэтому целью диссертации является теоретическое исследование сверхпроводящих и магнитных свойств контактов и сверхрешеток N/S, FM/S и FD/S на основе реалистических моделей эффекта близости, отражающих электронные, магнитные, сверхпроводящие состояния внутри слоев, а также природу межслойных взаимодействий в данных системах.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации при решении поставленных выше проблем, заключается в следующем:
-
Развита теории эффекта близости для слоистых N/S-систем в рамках БКШ-модели межэлектронных взаимодействий, учитывающая конечную прозрачность границы раздела металлов. Обнаружено логарифмическое усиление эффективного межэлектронного притяжения, ведущего к росту критической температуры Т при одновременном увеличении толщины слоев N и S, что соответствует экспериментальной ситуации.
-
Впервые построена теория эффекта близости для N/S-структур, свободная от ограничений приближения БКШ, принимающая во внимание, наряду с произвольной прозрачностью N/S-границы, конкуренцию между кулоновским отталкиванием ц и притяжением через поле фононов X при учете запаздывающего характера последнего. Сделан вывод об усилении роли кулоновского отталкивания с уменьшением периода сверхрешетки.
-
Впервые дан микроскопический вывод краевой задачи для парной амплитуды в структурах FM/S и предложена модель сверхпроводящего состояния,сочетающая БКШ-спаривание квазичастиц в S-слоях со спариванием по механизму Ларкина-Овчинникова-Фульде-Феррелла СЛОФФ) в FM -слоях. Установлена природа немонотонного поведения йритической температуры и предсказаны явления возвратной и периодически-возвратной сверхпроводимости в контактах и сверхрешетках FM/S.
-
Построена теория косвенного обменного взаимодействия РККИ в неупорядоченных сверхпроводниках с учетом влияния границ и эффектов размерности. Обнаружено усиление дальнодействующего сверхпроводящего вклада в потенциал РККИ вблизи поверхности массивного образца, а также при понижении его размерности.
-
Впервые предложена модель обменных взаимодействий в структурах FD/S, в рамках которой исследованы различные варианты взаимной подстройки сверхпроводимости и ферромагнетизма; найдены условия сосуществования фаз с несоразмерным магнитным упорядочением в FD- слоях со сверхпроводимостью в S-слоях, предсказано новое критическое поведение межфазных границ и спин-волнового спектра в окрестности необычной точки Лифшица.
-
Предсказано явление селективной прозрачности сверхпроводящей пластины на частоте парамагнитного резонанса электронов проводимости СПРЭП), впоследствии обнаруженное экспериментально.
-
Показано, что резкое уменьшение ширины линии ПРЭП, связанной с туннельными переходами, ниже критической температуры N/S-контакта обусловлено андреевским отражением квазичастиц на N/S-границе.
Научно-практическое значение работы состоит в следующем:
- развитая в диссертации теория эффекта близости в N/S- и FM/S-
структурах является базой для расчета, сравнения с экспериментом и прогнозирования зависимости их сверхпроводящих свойств от деталей электронного спектра металлов, механизмов спаривания, технологии изготовления и толщины слоев N, FM и S. Обнаружение предсказанной здесь периодически-возвратной сверхпроводимости в FM/S-системах послужит новым импульсом для разработки микроэлектронных приборов.
построенная в работе теория косвенного обмена в сверхпроводниках с учетом граничных и размерных эффектов как механизм межслойной обменной связи приложит не только к системам FD/S, но и к борокар-бидак типа HoNi„B,C, в которых также имеет место чередование сверх-прововодящих слоев Ni В с непроводящими магнитными слоями Но-С.
предсказанные в диссертации новое критическое поведение межфазных границ и спин-волнового спектра FD/S-структур в окрестности необычной точки Лифшица, а также каскады черередующихся магнитных и сверхпроводящих переходов при изменении температуры или обменного поля в случае их обнаружения позволят освоить технологию производства материалов с заданными сверхпроводящими и магнитными свойствами.
предложенный в работе метод зондирования вариантов взаимной подстройки сверхпроводимости и магнетизма, спин-волнового спектра, а также механис-мов спаривания и релаксации в слоистых FD/S-, FM/S- и N/S-системах, основанный на магнитнорезонансных исследованиях этих материалов представляется достаточно универсальным и информативным.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на Всесовзной конференции по магнитному резонансу СКазань, 1984); Всероссийском совещании по физике низких температур СКазань, 1992); XXVII Международном конгрессе AMPERE СКазань, 1994); Международной конференции по сильно-коррелированным электронным системам CGoa, India, 1995); Международной конференции по физике низких температур CLT-21, Prague, Czech Republic, 1996); Всероссийской школе физиков-теоретиков "Коуровка" СИжевск, 1996); Международной конференции по проблемам теории конденсированных сред С Москва, 1997).
Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 15 журнальных статьях и 7 тезисах и материалах конференций список, которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти оригинальных глав, заключения с перечнем основных результатов и выводов, а также списка цитированной литературы. Полный объем работы, включая 14 рисунков и 129 наименований цитированной литературы составляет 214 страниц.
