Явления в низкоомных туннельных переходах, обусловленные инжекцией квазичастиц и эффектом Джозефсона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Г. НЕЕЙВНОВЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ТУННЕЛЬНЫХ ПЕШЕХОДАХ.

1.1. Виды неравновесных состояний сверхпроводника

1.2. Влияние квазичастичной туннельной инжекции на сверхпроводник.

1.2.1. Эксперимент. Модель Ррея-Виллемсена

1.2.2. Модели неравновесного состояния сверхпроводника

1.3. Нестационарное состояние распределенного джозефсоновского перехода

2. ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.

2.1. Технология напыления пленок и создания туннельного барьера.

2.2. Получение двойных туннельных переходов

2.3. Экспериментальная установка и методика измерений.*

2.4. Краткие выводы.

3. НЕУСТОЙЧИВОСТЬ И НЕОДНОРОДНОЕ СОСТОЯНИЕ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ ПЛЕНОК ОЛОВА ПРИ НАПРЯЖЕНИИ ИНЖЕКЦИИ I.

3.1. Явление неустойчивости на ВАХ низкоомных туннельных переходов при )/~ 2Д/е

3.2. Изменение тока неустойчивости в магнитном поле

3.3. Неоднородное состояние сверхпроводника как следствие развития неустойчивости

3.4. Механизм неустойчивости и образования неоднородного состояния

3.5. Некоторые особенности неоднородного состояния дрп. напряжении: инжекции 1/^ 24/е

3.6. Краткие выводы.

4. ОСОБЕННОСТИ. ВАХ НИЗК00МНЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ

ПРИ; НАПЕЯЖЕНИЯХ V<2A/e

4.1. Асимметрия ВАХ в магнитном поле

4.2. Влияние собственного магнитного поля на ВАХ низкоомных туннельных переходов.

4.3. Краткие выводы

5. ПРИМЕНЕНИЕ НИЗКООМНЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ В

НЕКОТОРЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВАХ.

5.1. Квитерон

5.2. Вихревой транзистор.

5.3. Краткие выводы.

Возросший в последние годы интерес к низкоомным .туннельным переходам /ТО/ обусловлен прежде всего причинами прикладного характера. Перспективные направления в сверхпроводниковой электронике, которые могут привести к созданию аналога полупроводникового триода, используют неравновесное состояние сверхпроводника, вызванное инжекцией квазичастиц, и управляемое движение квантов магнитного потока /флюксонов/ в распределенных джозефсоновских переходах [64,92,110] . Практическая реализация этих принципов позволила бы создать устройства с большим быстродействием и чрез— вычайно малыми затратами энергии. В обоих случаях необходимо применение ТП с большой прозрачностью барьера. Исследование неравновесных явлений в низкоомных ТП представляет также значительный научный интерес, так как позволяет получать информацию о фундаментальных свойствах сверхпроводящего состояния /энергетическом распределении квазичастиц и фононов, временах их жизни и т.п./

Большой интерес вызвало обнаруженное в работе [59] пространственно неоднородное состояние /НС/ сверхпроводника, которое характеризуется наличием в нем областей с двумя различными значениями энергетической щели. К настоящему времени имеется уже значительное число работ, посвященных данному вопросу, как теоретических, так и экспериментальных. Однако до сих пор нет единого мнения о природе НС. Особенно неясной оставалась ситуация для случая узкого источника- инжектируемых квазичастиц, где к моменту начала данных исследований было выполнено лишь две экспериментальные работы [59,72]. Одновременно с появлением НС, авторы [59,72] наблюдали появление особенности на вольт-амперной характеристике, /БАХ/ генератора в виде отрицательного скачка напряжения /далее будем называть ее неустойчивостью/. Неустойчивость наблюдалась только в области напряжений 2Д/е /Д-энергетическая щель сверхпроводника/ и только для ТП на основе алюминия. Было неясно, будет ли наблюдаться неустойчивость для других сверхпроводников. Авторы [72]предположили, что явление неустойчивости характерно, именно для пленок алюминия, из-за их неоднородности, т.е. в них заведомо имеются области с уменьшенной А . На основе этого ими была выдвинута модель, объясняющая как возникновение неустойчивости, так и связанного с ней НС. После появления модели Грея и Виллемсена /ГВ/ внимание исследователей переключилось на случай больших энергий- инжектируемых квазичастиц, где эта модель не работает и тем не .менее наблюдалось НС [82] . В то же время, случай инжекции при напряжении- V~2k/e- был оставлен без внимания. Поэтому было необходимо его более детальное исследование, тем более, что ГВ не смогли поставить прямой эксперимент, подтверждающий их модель. В частности, необходимо было выяснить, может ли неустойчивость наблвдаться на других сверхпроводниках, кроме алюминия, а также уточнить механизм образования НС в сверхпроводнике при узком источнике квазичастиц. Так как при, этом неизбежно приходится иметь дело с джозефсоновскими ТП /именно таковыми являются исследуемые низкоомные переходы/, то необходимо было выяснить роль эффекта Джозефсона в формировании. ВАХ этих переходов при напряжениях вблизи V = .

Исходя из вышеизложенных задач, цель настоящей работы можно сформулировать следующим образом: I/ выяснить возможность проявления неустойчивости сверхпроводника под воздействием туннельной инжекции квазичастиц при напряжении, на ТП V- 2 А/е. для переходов на основе других сверхпроводников, кроме алюминия; выяснить механизм этой неустойчивости; 2/ изучить механизм образования НС, связанного с неустойчивостью; 3/ выяснить возможное влияние эффекта Джозефсона на указанные явления.

Для решения поставленных задач создавались как обычные ТП

5-/-5 , так и'двойные туннельные структуры

5- сверхпроводник,' /- изолятор/ на основе пленок олова.

Метод двойного ТП, впервые примененный в [69], является очень удобным для исследования неравновесных явлений в сверхпроводнике. при туннельной инжекции. Двойной ТП — э.то многослойная структура, в которой три лежащих друг.над другом пленки сверхпроводника разделены туннельными барьерами, обычно различной прозрачности. Более низкоомный переход служит, как правило, генератором квазичастиц /в частности, при узком источнике квазичастиц, когда напряжение на генераторе 2А/е /, а другой, более высокоомный ТП - детектором, т.к. изменение его БАХ под влиянием инжектируемых квазичастиц несет в себе информацию о состоянии сверхпроводящих пленок. Под влиянием инжекции изменяется и ВАХ генератора /в частности, она проявляет неустойчивость/.

Выбор олова в качестве базового материала для создания Ш был обусловлен следующими причинами. Было неясно, почему, в' отличие от алюминия, неустойчивость, приводящая к образованию НС при- узком источнике квазичастиц, не, наблвдалась на олове [71, 131]. С друток стороны, олово, как сверхпроводник, является хорошо изученным материалом и. поатому является удобным для модельных исследований. Наконец, стабильность и. однородность окислов олова позволяют легко создавать на его основе высококачественные ТП [41] , поатому ТП на основе олова широко применяются экспериментаторами со времени открытия туннельного эффекта в сверхпроводниках [6 8].

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В первой главе, рассмотрено современное состояние исследований в области неравновесной сверхпроводимости. Основное внимание уделено экспериментальным и теоретическим работам, касающимся исследоваг-ний при туннельной инжекции квазичастиц. В гл.2 описана техноло