Введение к работе
Актуальность темы
Проникновение магнитного потока в сверхпроводник второго рода происходит в форме квантованных вихревых линий или вихрей Абрикосова [1]. Именно наличие таких вихрей и их взаимодействие с неоднородностями и дефектами материала (пиннинг) определяют основные магнитные свойства сверхпроводника второго рода [2] и способность последних пропускать транспортный ток без диссипации [3]. Поэтому изучение вихревого состояния сверхпроводников второго рода представляет несомненный интерес как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения различных приложений.
Традиционно, основные усилия исследователей сосредоточены на изучении особенностей вихревого состояния, возникающего в сверхпроводниках второго рода под действием внешнего магнитного поля [4-6]. В этом случае вихревая нить (ВН) оказывается незамкнутой, а ее концы топологически разнесены в пространстве (например, расположены на противоположных поверхностях, ограничивающих сверхпроводник). Такие вихри могут проникать в сверхпроводник только с поверхности, или образоваться в паре с вихрем противоположного направления (пара вихрь-антивихрь). Наряду с этим, в последнее время в физике вихревого состояния появился интерес к изучению замкнутых вихрей, у которых вихревые нити имеют вид колец (или в более общем случае - петель). Такие вихри могут существовать в объеме сверхпроводника или создаваться протекающим по сверхпроводнику током.
Кольцевые вихри (вихревые кольца или петли) в сверхпроводниках второго рода являются примером компактных магнитных структур, магнитное поле и сверхток в которых локализованы во всех трех направлениях. Характерный размер области локализации такой структуры является внутренним параметром вихря, не зависит от размеров сверхпроводника и может быть сравним с глубиной проникновения магнитного поля Л . Поскольку ВН замкнута в кольцо, топологические ограничения, запрещающие спонтанное образование такого вихря в объеме сверхпроводника, отсутствуют, и такие вихри можно рассматривать в качестве элементарных возбуждений в сверхпроводниках второго рода [7-9]. Подобные возбуждения описывают внутренние степени свободы сверхпроводящей системы, эбладающие нулевой суммарной завихренностью (несингулярные флуктуации фазы параметра порядка, пары вихрь-антивихрь и т.д.), л не связаны с обычно рассматриваемыми вихрями, которые возникают во внешнем магнитном поле [10].
Другой возможный случай образования кольцевых вихрей имеет место, если магнитное поле создается протекающим по сверхпроводнику током [7,11-14]. При этом, по крайней мере на этапе формирования вихревого кольца, существенное значение имеет кривизна вихревой нити. Образование, движение и аннигиляция таких вихревых колец сопровождается диссипацией и появлением электрического сопротивления, а возникающее при этом электрическое поле переводит сверхпроводник в нестационарное состояние с зависящим от времени параметром порядка. Резистивное состояние является сложным и информативным в физическом отношении состоянием сверхпроводника, однако, несмотря на значительные усилия, механизмы, ограничивающие протекание тока без диссипации, изучены далеко не полностью. Наименее изученным представляется случай, когда размеры сверхпроводника сопоставимы с глубиной проникновения магнитного поля Л. Если пиннинг вихрей в объеме сверхпроводника отсутствует, основным механизмом, определяющим рези-стивные и магнитные свойства такого сверхпроводящего образца в широком диапазоне магнитных полей и температур является пиннинг вихрей на поверхности, связанный с существованием энергетического барьера Бина-Ливингстона [15]. Поверхностный барьер препятствует проникновению магнитного потока в сверхпроводник и определяет условия формирования вихревого зародыша, размеры которого как правило заметно меньше Л, а кривизна вихревой нити велика [16,17].
Резистивное состоянием сверхпроводника, возникающее при движении вихрей в периодическом потенциале пиннинга под действием силы Лоренца, во многом аналогично нестационарному эффекту Джозефсона в системах со слабыми связями [18]. Эта аналогия проявляется в том числе и в существовании собственного электромагнитного излучения от мостиковых структур в режиме течения магнитного потока [19-21]. Несомненный интерес для цели получения генерации электромагнитного излучения представляют системы, в которых можно контролируемым образом изменять величину и пространственный период потенциала пиннинга, что можно обеспечить, используя магнитное взаимодействие между идентичными решетками вихрей в магнитосвязанных (МС) сверхпроводящих пленках [22-26]. Переменная составляющая скорости вихрей и, как следствие, переменное электрическое поле и ток, возникают здесь при относительном движении (проскальзовании) решеток вихрей в соседних пленках.
Цели диссертационной работы:
-
теоретическое исследование структуры и свойств кольцевых вихрей в сверхпроводниках второго рода при произвольном радиусе кривизны вихревой нити;
-
изучение влияния поверхности сверхпроводника на поведение и параметры кольцевых вихрей;
-
анализ условий возбуждения и особенностей движения кольцевых вихрей в сверхпроводящих проводниках с характерными размерами порядка глубины проникновения магнитного поля;
-
изучение структуры и роли полей рассеяния, создаваемых локализованными вихревыми объектами в окружающем сверхпроводник пространстве, и влияния таких полей на условия формирования и движение вихрей;
-
изучение возможности коррелированного движения вихрей благодаря наличию "слабой" связи через магнитные поля рассеяния;
-
нахождение условий эффективной генерации электромагнитного излучения при относительном движении решеток вихрей в магни-тосвязанных сверхпроводящих пленках.
Научная новизна.
Разработаны методы аналитического решения уравнения Лондо-нов для цилиндрической геометрии, основанные на разложении Фурье-Бесселя.
Впервые рассмотрены примеры компактных вихревых структур (вихревые кольца и петли), в которых магнитное поле и сверхток самосогласованным образом локализованы во всех трех направлениях, а характерный размер области локализации сравним с глубиной проникновения магнитного поля Я.
» Детально исследована структура полей рассеяния, создаваемых локализованными вихревыми объектами в окружающем сверхпроводник пространстве, и изучено влияние этих полей на условия формирования и движение вихрей в сверхпроводнике.
Показана близкая аналогия между движением вихрей в МС сверхпроводниках (в геометрии трансформатора постоянного тока) и джозефсоновским переходом, и рассмотрена генерация электромагнитного излучения при относительном движении решеток вихрей в магнитосвязанных сверхпроводящих пленках.
Практическая значимость.
Тенденция, направленная на миниатюризацию электронных уст-эойств, в том числе и сверхпроводящих, приводит к необходимости уменьшения размеров приборов до величин, сравнимых с глубиной
проникновения магнитного поля Л (для ВТСП материалов Лк0.2/лп). Полученные в диссертации результаты могут быть использованы для анализа явлений, присущих протеканию тока в тонких сверхпроводящих проводниках с поперечными размерами порядка глубины проникновения магнитного поля. Широкое применение эффекта Джозефсона на основе ВТСП материалов наталкивается на трудности создания воспроизводимых джозефсоновских элементов. Эти трудности обусловлены тем, что характерные размеры области слабой связи обычного джозефсоновского контакта не должны превышать длину когерентности параметра порядка (для ВТСП материалов порядка \пт). Поэтому представляет интерес поиск аналогов эффекта Джозефсона в сверхпроводящих системах, где столь сильное ограничение на размеры отсутствует [27,14*]. В диссертации впервые рассмотрены примеры джозефсоновских систем на основе МС сверхпроводящих пленок, выполнено сравнение поведения таких систем с работой обычного джозефсоновского контакта, найдены условия, при которых в МС сверхпроводниках возможна генерация электромагнитного излучения, аналогичная джозефсоновской генерации и приведены оценки частоты и мощности такого излучения.
Публикации и апробация результатов.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1*—17*] Результаты диссертационной работы докладывались на Международных конференциях: "Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors" (M2S-HTSC-IV, Grenoble France, 1994), (M2S-HTSC-V, Beijing, China, 1997); "19th Internationa Conference on Infrared and Millimeter Waves" (IR&MM Waves, Sendai Japan, 1994); "21st International Conference on Low Temperature Physics" (LT21, Prague, Chech Republic, 1996); на Международное школе "NATO ASI on Physics and Material Science of Vortex States Flux Pinning and Dynamics" (Kusadasi, Turkey, 1998); на Нижегород ских сессиях молодых ученых, на семинарах ИПФ РАН и ИФМ РАН.
Структура и объем диссертации.