Андреевское отражение, геометрические и электрон-фононные резонансы в ВТСП контактах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.09 ВАК РФ

^ МО С КОВС КИЙ ГОСУДАРСТВЕ1ШЫЙ УНИВЕРСИТЕТ А им. М.В. ЛОМОНОСОВА.

ФИЗИЧЕСКИМ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 537.312.62

ЦОКУР ЕКАТЕРИНА БОРИСОВНА

АНДРЕЕВСКОЕ ОТРАЖЕНИЕ, ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОИ-ФОНОИЫЫЕ РЕЗОНАИСЫ В ВТСП КОНТАКТАХ

Специальность 01.04.09. Физика низких температур и криогенная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА 1997

Работа выполнена на кафедре физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова.

Научный, руководитель доктор физико-математических наук-, в.и. с. Я.Г. Пономарев.

доктор физико-математических-наук Л.М.Фишер до1сгор физико-математических наук О.В. Снигирев

Ведущая организация - Институт Общей Физики Российской Академии наук, г. Москва.

Защита состоится ¿¿^Л^Р^) 1997 года в. 15 часов 30 мирт на заседании специализированного совета N 2 (К 053.05.20) Отделения физики твердого тела Московского Государственное Университета им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы Горы, МГУ, физический факультет, криогенный корпус, аудитория 2-05.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Авторефераг разослан " ^иА г°Да-

Ученый секретарь специализированного совета

Официальные оппоненты:

N 2 ОФТТ (К 053.05.20)

МГУ им. М.В.Ломоносова

доктор фйЗШСС-

мг» ¡тематических наук

I. Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Природа высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) до сих пор остается предметом 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 джозсфсоповских контактов, созданных на основе ВТСП материалов. Увеличение щелевого параметра расширит частотный диапазон джозсфсоповских 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 высохоэнергичными фонокшьши модами кристаллов. В настоящее время делаются попытки экс перл м стал ьно ю и теоретического исследовании этого явления, однако, конкретный физический механизм и тип фононных мод ( рама» - 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 13 ГСП - материалах. Весьма убедительные данные приводятся в пользу так называемой d-симметрийной модели, согласно которой высокотемпературная

сверхпроводимость является двумерным эффектом и локализована в СиСЬ плоскостях, причем в качестве наиболее вероятного механизма спаривания пред»31 ается спаривание на антиферромагнитных флуктуациях. Согласно d-симметрийной модели щель в CuU2 плоскости сильно анизотропна, и существуют направления, по которым щель зануляется. Кроме того, при переходе от направления а к Ь 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, «л ред стол ci'i ающей электрон-фононный механизм спаривания. Отмстим, что в ряде экспериментальных работ указывается на

существенный вклад я-симметрийного спаривания в симметрию параметра порядка в ВТСП.

Для получения окончательного ответа на вопрос, какова симметрия параметра порядка в высокотемпературны* 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 Б-К интерфейсов ВТСП-микрокоптактов.

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:

!. Измерения 1(У)- и с!!(V>/с1 V"- характеристик контактов на микротрешине в монокристаллах УВазСшО?. УЬВа2Сиз07 и ТЬВгъ(ЛъСи;0|!), в пластинчатых монокристаллах и вискерах ВЬ8г2Са|Си20к, а также в поликристаллических образцах ВьБг-Са-Си-0 ( 2212- и 2223 - фазы) в микрокоичактном и туннельном режима>: при гелиевых температурах.

2. Измерения !(¥)- и <11(У)Л!У- характеристик джозефсоновских контактов на микротрещине в монокристаллах УВагСизО?, УЫЗагСизОт и Т^ВагСагСизОю 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 делыо проверки типа симметрии параметра порядка в ВТСП -ма i ериалах.

2. Определения величины щелевого параметра А из микроконтактных и туннельных характеристик, полученных на одних и тех же В'ГСН - образцах, для оценки достоверности значения Д.

3. Определения из экспериментальных данных по геометрическим резонансам Фиске скорости распространения электромагнитной волны в джозефсоновском ВТСГ1 - контакте с* (скорости Свихарта), "электрической " толщины контакта d(/si , добротности контакта Q и поверхностного сопротивления BTCfl -материала Rs.

4. Определения основных особенностей резонансной структуры на ВА X джозефсоновских Bi-Sr-Ca-Cu-0 - контактов ( ] ¡| с ), вызванной сильным нелинейным взаимодействием переменно!о джозефсоповского тока с оптическими фононными модами кристалла.

Научная новизна 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 ВТСП- микроконтактов, указывает на существование резкой границы сверхпроводящей щели в исследованных ВТСП-материалах. Этот результат позволяет сделать предположение о существенном вкладе s- симметршшого спаривания в симметрию параметра порядка в B I CH.

2. Величины щелевого параметра А, определенные для исследованных В ГСП- контактов в микроконтактном и !уннелыгом режимах, совпадают в пределах экспериментальных погрешностей, что указывает на высокую достоверность ■ экспериментального значения щели.

3. У исследованных джозефсоновских 8TCJJ- контактов отношение скорости1 Свихарта к скорости электромагнитной волны в вакууме с*/с« при Т = 4,2 К находится в пределах 0,0! -:-0,05, а "электрическая" толщина составляет (dt/ г:() ~ 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-материалов близка к квадратичной Rs - F" в интервале частот F до 700 I Гц.

5. При гелиевых температурах и в слабых магнитных полях на ВАХ джозефсоновских контактов на микротрещине в совершенных монокристаллах УЬВа-'СизО?, позволяющих получить практически зеркальные криогенные сколы, обнаружены

субгармонические ступеньки Фиске, предсказанные Вертхаммером и Шапиро.

6. Получены доказательства того, что локальное ветвление ВАХ джозефсоновских В1-8г-Са-Си-0- контактов при токе в с-направлении (тонкая структура) является следствием неупругого туннеянрования куиеровских пар, которое проявляется в сильном нелинейном взаимодействии переменного джозефсоновского тока с раман- активными оптическими фононными модами кристалла и сопровождается эмиссией когерентных неравновесных фононов.

7. Обнаружено, что при больших плотностях тока ( ] || с ) генерация неравновесных фононов, обладающих сильным распаривающим действием, приводит к "захвату" квазичастичной вегви 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 в-симметрийиого спаривания в симметрию параметра порядка в В ГСП.

2. Совладение значений щели А, полученных на одних и тех же ВТСП - контактах в туннельном и мнкроктактном режимах, указывает на высокую надежность определения этого параметра.

Последнее позволяет рассчитать с хорошей точностью величину

отношения 2Л/кТс дня различных ВТСП материалов: 2Л/к'Гс = 7 + 8 у пластинчатых, монокристаллов, -шекеров и поликристаллических образцов В^Бг-Са-Си-О (2212- и 2223- фазы), 2Л/кТс = 8 -4- 9 у монокристаллов УВа2Сиз07 и УЬВа2Си30/, 2Д/кТс = 9 + 1 у монокристаллов Г ЬВ а > С а > С и3 С^ (0,

3. При гелиевой температуре джозефсоповские контакты па микротрещине в совершенных монокристаллах ВТСП имеют достаточно высокую добротность р ~ 10, что позволяет надежно регистрировать на ВАХ контактов в слабых магнитных полях геометрические резонансы Фиске. Данные, полученные при исследовании этих резонансов, использованы в работе для расчёта скорости Свихарта, "электрической" толщины контакта, его добротное™ н поверхностного сопротивления сверхпроводящих берегов контакта при частотах до 700 Ггц. Установлено, что частотная зависимость поверхностного сопротивления ВТСП близка к квадратичной: - Р3.

4. 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 джозефсоповского тока с раман- активными оптическими фопопными модами. В области резонансов неупругое туннелировапие куперовских пар сопровождается генерацией когерентных неравновесных фононов, обладающих сильным распаривающим действием. При больших плотностях тока эмиссия неравновесных фононов 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 туннедирование куперовских пар в с- направлении, сопровождающееся эмиссией неравновесных фоноиов, 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, 18894, Япония, 1994;

• Международной конференции по физике и химии молекулярных и оксидных сверхпроводников-, МОБ'96, Карлсруэ, Германия, 1996.

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано 5 -печатных работ.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти слав, выводов и списка литературы из //?3 наименований. Диссертация содержит?/7 страниц печатного текста, таблиц и рисунков.

П. Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируются цели и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой гливе диссертации обсуждаются в основные физические свойства ВТСП, приведены теоретические модели механизма высокотемпературной сверхпроводимости.

Отмечены особенности эффекта Джозефсона и одночастнчного туннелнрования, связанные с симметрией параметра порядка в сверхпроводнике.

Рассматриваются особенности субгармонической щелевой структуры на ВАХ микроконтактов Б-Гч'-В типа, вызванной многократными андреевскими отражениями от интерфейсов контакта, для случаев чисто в-симметрийного и чисто (!-еимметрипного сверхпроводников.

Обсуждаютя геометрические резопансы Фиске, возникающие па ВАХ джозефсоновских контактов в результате взаимодействия волн нлошоеги сверхпроводящею тока с резонансными модами сверхпроводящего резонатора в присутствии слабого магнитного поля. Анализируется возможность расчета из данных по резонансам Фиске скорости электромагнитной волны в контакте, электрической толщины контакта, добротности контакта, а также

поверхностного сопротивления используемых сверхпроводящих материалов.

Приведен обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных определению основных характеристик ВТСП-материалов и выявлению природы высокотемпературной сверхпроводимости.

Во второй главе диссертации представлена методика получения туннельных кот актов на микротрещине и приведено описание двух экспериментальных установок, на которых проводились измерения. Обсуждаются основные свойства использованных образцов.

Вся работа выполнена на контактах типа break-junction, т.е. использовалась техника генерации микротрещины при гелиевой температуре. Подложка с образцом монтировалась на пружине, которая прогибалась с помощью микрометрического винта. Очевидным преимуществом такой методики является высокое качество поверхности криогенных сколов, так что в этом случае свойства поверхности практически идентичны объемным свойствам сверхпроводника. Кроме того, в процессе измерений мы имели возможность поворотом микрометрического винта и ¡менян» тип контакта (S-l-S, S-N-1-N-S, S-N-S) и тем самым наблюдать различные физические явления на одних и тех же образцах. Особенностью ВТСП материалов является малая длина когерентности и, как следствие, сильная зависимость сверхпроводящих свойств от наличия примесей и дефектов. Таким образом, исследование физических свойств ВТСП имеет смысл проводить на совершенных объектах, таких как

высококачественные монокристаллы няи вискеры. В работе исследовались монокристаллы YBaCuO, YbBaCuO и TIBaCaCuO, монокристаллы и вискеры BiSrCaCuO. Для сравнения использовались поликристаллы BiSrCaCuO. Образцы были получены из различных лабораторий России и Германии. Многообразие ВТСП материалов и. большое - количество проведенных экспериментов повышают достоверность полученных результатов и позволяют сделать обобщающие выводы о свойствах высокотемпературных сверхпроводников.

Все измерения проводились по 4-х контактной схеме, электрический контакт с образцом реализовывался с помощью InGa припоя, что позволяло предохранить образец от повреждения при монтаже и помещении его в криостат. Измерения l(V) - , dl(V)/dV- и d2I(V)/dV2 - характеристик контактов проводились как с помощью традиционной аналоговой установки, так и с помощью автоматического цифрового мосга, контролируемого компьютером. Компьютеризованная установка собрана на базе многофутсционалыюго устройства ввода - вывода AT - MIO -I6X ( фирма National instruments ) и быстродействующего персонального компьютера на базе микропроцессора Intel ¡486DX4 с тактовой частотой 100 МГц. Частота преобразования аналог-цифра по одному каналу многоканального ló-бнтового А ЦП с программируемым предусилителем составляет 100 КГц при максимальной чувствительности в униполярном режиме 1,5 мкВ, что позволяет записывать ВАХ джозефсоиовких ВТСП - контактов с достаточным разрешением и со скоростью, сравнимой с осциллографическим методом записи ( максимальная полученная

нами частота сканирования ВАХ составила 20 Гц при достаточном для анализа количестве точек на кривой ).

В третьей главе диссертации представлены результаты микроконтактных и туннельных исследований на ВТСГТ- образцах при Т. = 4,2 К, В работе было установлено, что при перестройке контакта на микротрещпне возможен переход из туннельного режима в микроконтатный и обратно в одном эксперименте. Благодаря этому щелевой параметр сверхпроводника может быть определен практически в одной и той же области криогенного скола с помощью двух разных физических методов: туннельной и микроконтактной спектроскопии, что существенно повышает достоверность полученных результатов.

На рис. 1 в качестве примера представлены туннельная и микроконтактная характеристики поликристаллического образца В1'8гСаСиО, а также их производные. На <ЩУ)/ёУ- характеристике микроконтакта наблюдается хорошо выраженная субгармоническая щелевая структура, состоящая из серии провалов при смещениях У„ = 2А/еп, возникающая в результате многократных андреевских отражений от интерфейсов

микроконтакта (а - число андреевских отражений). Резкая форма провалов, составляющих субгармоническую структуру, свидетельствует о существовании четкой границы сверхпроводящей щели у исследованного образца при Т = 4.2 К. Обращает на себя внимание тот факт, что провал на динамической проводимое™, соответствующий первому андреевскому рефлексу при напряжении У = 2д/е в точности совпадает с положением

с О

л

>и

-сю.

< Е

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

\<с1 и а V)..

«1-юо £ ..<«""*>.

{(¡1/(3 V),.

0.8

0.3

- 0.4

- 0.2 ы

- 0.0

! ' / ' В128г2Са1Си20-

V >.и«

V „ = 2 д / е п

I 1

ро1усг. эашр 1е виЭН-Е Т= 4.2 К л = 2 4 теУ

-0.2

-0.4

А -0.6

-100

-50

О

V , т V

50

-0.8 10 0

са

•цу

сг с

3

Рис. 1. Г(У)- и <Н(У)/<1У- характеристики контакта на микротрещине в поликристаллическом В¡-8г-Са-Си-0- образце в микроконтактном (сплошные линии ) и туннельном (пунктирные линии) режимах при Т = 4,2 К. 41(У)МУ- характеристики микроконтакта приведены при двух уровнях модуляции. Вертикальными линиями отмечены провалы, составляющие субгармоническую щелевую структуру.

максимума динамической проводимости на туннельной характеристике. Как следствие, величины сверхпроводящей щели, полученные из микроконтактной и туннельной характеристик, в точности совпадают: Ащц = = 24 мэВ.

Субгармоническая щелевая структура аналогичного качества обнаружена в настоящей работе на dI(V)WV- характеристиках микроконтактов на базе монокристаллов YBa2Cu307, УЬВа2Сиз07 и ТЬВагСагСизОю, а также пластинчатых монокристаллов и вискеров Bi2Sr2CaiCu2Og. Существование четкой субгармонической щелевой структуры с большим числом провалов на dI(V)/dV-характеристиках ВТСН- микроконтактов находится в явном противоречии с предсказаниями теории для случая чисто d-симметрийного сверхпроводника и, таким образом, указывает на существенный вклад s- симметрийного спаривания в симметрию параметра порядка в ВТСГ1.

Обнаруженное в , настоящей работе совпадение значений щели А, полученных на одних и тех же ВТСН - контактах в туннельном и мнкроктакгном режимах, указывает на высокую надежность определения этого параметра. Последнее позволило рассчитать с достаточной точностью величину отношения 2А/кТс для различных ВТ СП материалов: 2А/кТс = 7 8 у пластинчатых монокристаллов, вискеров и поликрисгаллических образцов Bi-Sr-Ca-Cu-O (2212- и 2223- фазы), 2A/kTc = 8 9 у монокристаллов YBa2Cu3ü7 ( Тс = 90 К ) и YbBa2Cu3Ö7 ( Тс = 87 К ), 2А/кТс = 9 + 1 у монокристаллов Tl2Ba2Ca2CujOiü {Ть ^ 118 К ).

В четвертой главе диссертации представлены результаты исследования электромагнитных свойств джозефсоновских BTCJTI контактов в слабом внешнем магнитном поле при гелиевых температурах. В работе использовались высококачественные монокристаллы ВТСП, в которых при создании микротрещины образов ывались зеркально гладкие поверхности криогенных сколов.

На рис. 2 приведены ВАХ джозефсоновского контакта на базе монокристалла ТЬВа2Са2Си;,Оц) ( Тс = 118 К ) во внешнем магнитном поле II ( магнитное поле Земли подавлено) при Т = 4,2 К, содержащие ступеньки Фиске, возникающие при взаимодействии волн плотности сверхпроводящего тока с резонансными модами сверхпроводящего резонатора, образуемого берегами джозефсоновского контакта. Особенно четко ступеньки видны на dI(V)/dV- характеристиках, запись которых позволила с высокой точностью определить смещения, соответствующие рсзонансам Фиске (рис. 2).

Геометрические резонансы Фиске в слабых внешних магнитных полях Н были использованы для расчета скорости Свихарта - скорости электромагнитной волны в контакте с*, электрической толщины ds / гЛ и добротности Q контакта, из которой можно было оценить поверхностное сопротивление сверхпроводника в широком диапазоне частот. Пример результатов расчетов для контакта на базе монокристалла УЬВа2Сиз07 приведен в Таб.1. Аналогичные расчеты были произведены для всех исследованных материалов.

с

-О

I.

(О >

■С

< £

1

-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 V , тУ

1 .0

1 .5

Рис. 2. 1(У)~ и сЩУ)/с1У- характеристики джозефсоновского контакта на микротрещине в монокристалле ТЫ^Са^СизОю при Т = 4,2 К во внешнем магнитом поле ( магнитное поле Земли подавлено). На рисунке приведена также зависимость номера рсзонансов Фиске N от смещения V (сплошные кружки). Частота фундаментального резонанса Фиске Р] = 136,5 ГГц.

1

2

Таблица 1. Определение параметров джозсфсопопского контакта на базе монокристалла TliBa^CajCiTjO^o ( Т = 4.2 К )

Физическое явление Параметры джозефажовского контакта

1. Зависимость критического тока контакта 1с от маппптюго ноля Б : lc(fi)/ic<0> - ки(тгФ/Ф0)/(гсФ/Ф0)! , где Ф = В S, Ф0 = Ъс/2е. - квант потока , S = L ( 2 X + dj ) s 2LÄ. - эффективное ссчсиис контакта, X - глубина проникновения, d¡ - толщина диэлектрического слоя, L - ширина контакта. Ф0 = 2.07-10"7 Гаусс : см2 2 = 2.5 .ID'S см , ДИ - период огциллмиии Тс в магнитном поле, АВ - 3.8 Гаусс; S = Ф0 / ДВ = 5.4S юАм2, L = S / 2 X = 10.9 мзем

2. Джопефсонопский контакт в роли сверхпроводящее резонатора. Б слабом Ш1СШНСМ магнитом поле иа DAX наблюдаются ступеиыси Фиске при смещениях: Ул - h оп / 2 е, где ca^-xnc/L, - резоманстпле мода контакта, с - скорость Свмхарта, L - ишрина контакта. Фундаментальная частота релоианса Фисж vj — 2 е V^ / Ii, где \м - тгапряжоше перь-ого резонанса; V^ = 282 |.tV, отсюда: vj = 135.5 Г Гц ; vj с / 2 L , так что : с = 2 vjL s 31С6 м / сек или: с / с = 0.01 .

3. Электродинамика джоасфсожжского контакта описьшастся уравнением: Aa/faZ+fio/ty2 -(1/c2)Äi>/ а2 *= = ( 1 / Xj2 ) sin <j> , где с = с ( tlj / -ó Я f 2 - ско{хнгп> Ошхарта , dj - толщина /i ил остр к чес ко го слоя. S[ - относительная диэлектрическая проницаемость барьера, el ~ 2 X + dj - эффективная толщина контактной области. ( dj / sj ) s 2 ( с / <• >2.31, с / с = 0.01 , 2 ~ № см . ( / П ) = 0.5 Л - ■ " алегсгричсская " толщина контакта; Ej ^ 5 , отсюда : df z 2.5 А

4. Джозефсожшская глубина проникновения A.J : ',1 1 '!'„ ' (1 п j,;))1 2 Гс - 6.5 Ю"* A, R„ = 1 Ohm, Vc—0.G5 nV, L=1.09 10 3 см, jc = Tc/L2= 3.5 102 Л/см2; Xj 4 2 = мкм.

Эффективный поперечник контактов Ь рассчитывался в настоящей работе из экспериментальной зависимости критического тока контакта от магнитного поля (Табл. 1). Далее из расстояния между ступеньками Фиске при известном Ь вычислялась скорость Свихарта и электрическая толщина контакта (Табл. 1). В рамках теории Кулика из зависимости амплитуды ступенек Фиске от магнитного поля рассчитывалась добротность контактов О. Для ряда контактов из величины добротности было оценено поверхностное сопротивление используемых ВТСП- материалов в диапазоне частот до 700 ГТц. Установлено, что частотная зависимость поверхностного сопротивления ВТСП близка к квадратичной: ~ I 2, в указанном диапазоне частот.

В работе экспериментально обнаружены предсказанные Всртхаммсром и Шапиро субгармонические ступеньки Фиске, представляющие собой дополнительную структуру на ВАХ джозефсоновскнх ВТСП- контактов при смещениях, меньших фундаментальной особенности.

В пятой главе диссертации обсуждается тонкая структура на ВАХ джозефсоновскнх Вг-Бг-Са-Си-О - контактов при токе в с~ направлении.

Тонкая структура на 1(У)- характеристиках В1-5г-Са-Си-0-контактов проявляется в виде хорошо воспроизводящегося локального ветвления ВАХ при смещениях V , меньших щелевого смещения УЕ. На с![Л1У- характеристиках контактов при этом наблюдается последовательность узких провалов при V = V,, расположенных симметрично относительно нулевого смещения V = 0. Период следования провалов составляет примерно 2-2.5 мВ.

Топкая структура наблюдается как на мопокристаллических, так и на поликристаллических образцах. Положение провалов, составляющих тонкую структуру на ёШУ- характеристиках, очень хорошо воспроизводится ( рис. 3 ), и не зависит от величины сверхпроводящей щели А, геометрии образцов и температуры Т ( рис. 4). В то же время тонкая структура обнаруживается на ВАХ контактов только в присутствии джозефсоновского сверхтока. Подавление джозефсоиовского сверхтока температурой или регулировкой контакта приводит к полному исчезновению тонкой структуры на ВАХ.

При построении тонкой структуры в функции 2еУ, где 2е-здектрнческнм заряд куперовской пары, а V- смещение, результирующая зависнмось обнаруживает сильное сходство с рамановскими спектрами, полученными для ВьБг-Са-Си-О рядом авторов (рис. 5). По всей видимости, локальное-ветвление ВАХ возникает благодаря неупругому тун мелированию куперовских пар в с- направлении, которое сопровождается излучением когерентных раман-активных оптических фопонов при резонансных напряжениях V, , при которых джозефсоновская частота совпадает с частотой одной из фоноппых мод.

В настоящей работе обнаружено, что при больших плотностях тока ( ] с ) генерация когерентных неравновесных фопонов, обладающих сильным распаривающим действием, приводит к "захвату" квазичастпчпой ветви ВАХ электрон-фононными резонансами.

V, mV

Рис. 3. Тонкая структура на dI(V)/dV- характеристиках джозефсоновскнх контактов на микротрещине в двух различных монокристаллических образцах Bi2Sr2CaiCu20« при токе в с-направлешш.

> О)

Е

>г >а

о. го

О)

20 40 60 80 100

т I к 3

о

Рис, 4, Температурные зависимости напряжений V* , соответствующих провалам, составляющим тонкую структуру на <Я(У)/с1У- характеристиках джозефсоновских контактов, при токе в с- направлении у ряда ГМгЗьСа^шОз - образцов. На рисунке представлены также температурные зависимости щелевого смещения У8 у этих же образцов.

2еУ, теУ; Егат теУ

Рис. 5. Зависимости тонкой структуры на Ш(У)/(1У~ характеристиках джозефсоновских контактов от 2еУ при токе в с-направлении для ряда исследованных В^^Са^льО* - образцов ( кривые ! - 7). На рисунке приведены также рамановские спектры Вь8ггСа|Си20- при двух основных поляризациях падающего и отраженного излучения: А - М. ВоескЬоШ сч а!., 1991, В - С. Ксшкюга е!а!., 1996.

III. Основные результат ы а выводы.

1. Исследована субгармоническая щелевая структура на ВАХ микроконтактов на базе ВТСП материалов, возникающая в результате многократшых андреевских отражений от S-N интерфейсов микроконтакта. Большое число и резкая форма особенностей, составляющих структуру на dl/dV характеристиках (Jjjc), указывают на существование резкой границы сверхпроводящей щели в исследованных ВТСП образцах. Последнее позволяет сделать предположение о существенном вкладе s-симметришгого спаривания в симметрию параметра порядка.

2. Обнаружено совпадение значений щелевого параметра Д, полученных на одних и тех же ВТСП - контактах в туннельном и микроктактпом режимах, что указывает па высокую надежность определения этого параметра.

3. Исследованы геометрические резонансы Фиске на ВАХ джозефсоновских ВТСП контактов в слабом магнитном поле, являющееся следствием нелинейного взаимодействия волн плотности джозсфсоновского тока с резонансными модами сверхпроводящего резонатора, образованного берегами контакта. Обнаружены субгармонические ступеньки Фиске, предсказанные Вертхаммером и Шапиро.

4. Для исследованных джозефсоновских ВТСП контактов произведен расчет скорости Свихарта и "электрической" толщины контактов. В рамках теории Кулика из полевой зависимости амплитуды ступенек Фиске рассчитана добротность Q контактов и

оценена величина поверхностного сопротивления ВТСП -материалов в диапазоне частот до 700 ГГц.

5. Изучены основные особенности тонкой структуры на ВАХ джозефсоновских ВТСП - контактов при токе в с- направлении. Показано, что тонкая структура является следствием нсупрутого туипелирования куперовских нар. в с- направлении, которое сопровождается излучением когерентных оптических фононов.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. I.A. Borisova, Ya.G. Ponomarcv, Kh.T. Rakhimov, M.V. Sudacova, E.B. Tsocur, N.A. Shcherbakov, A.V. Yarigin, W. Kraak, A. Krapf, Т.Е. Os'kina, Yu.D. Tret'yakov, Determination of the gap in Bi-Sr-Ca-Cu-O (2212-phasc) superconducting whiskers by tunneling spectroscopy// JETP Lett., v. 59, N 5, 1994, pp. 357-362.

2. B.A. Aminov, D. Wehler, G. Muller, H. Piel, M.A. Hein, H. Heinrichs, N.B. Brandt, Chong Soon Khi, Ya.G. Ponomarev, E.B. Tsokur, S.N. Tchesnokov, K.Ch. Yusupov, A.V. Yarygin, K. Winzer,K. Rosncr, T. Wolf. Point-contact and tunneling spectroscpoy of YBa-iQr.O; and YbBaaCusO? (90-K phase) single crystals// JETP Lett., v. 60, N 6, 1994, pp. 424-428.

3. H. Pie!, Ya.G. Ponomarev, B.A. Aminov, N.B. Brandt, M.A. Hein, Chong Soon Khi, G. Muller, S.N. Tchesnokov, E.B. Tsokur, D. Wehler, A.V. Yarigin, K.T. Yusupov. Manifeststion of a clear gap structure and quantum size effects from point-contact and tunneling spectroscopy ofYBaaCifcOv and YbBa:Cii:0? single crystals// Abstracts

of the 7!i> International Symposium on Superconductors, ISS'94, Japan, 1994.

4. Ya.G. Ponomarev, N.B. Brandt, Chong Soon Khi, S.N. Tchesnokov, E.B. Tsokur, A.V. Yarigin, K.T. Yusupov, B.A. Arainov, M.A. Hein, G. Mailer, H, Fiel, D. Wchler, V.Z. Kresin, K. Rosner, K. Winzer, Th. Wolf. Manifeststion of a clear gap structure from point-contact and tunneling spectroscopy of YBajCu^O? and YbBaaCusO? single crystals// Phys. Rev. B, v. 52, N 2,1995, pp. 1352-1357.

5. Ya.G. Ponomarev, 3.A. Arninov, M.A. Hein, H. Heinrichs, V.Z. Kresin, G. Muller. H. Piel, K. Rosner, S.N. Tchesnokov, E.B. Tsokur, D. Wchler, K. Winzer, A.V. Yarygin, K.T. Yusupov. Josephson effect and single-panicle tunneling in YBa;Cui(L and YbBazCujCb single-crystal break junctions// Physica C, v. 243, 1995, pp. 167-176.

6. B.A. Aminov, M.A. Hein, M.A.Lorenz, G. Muller, H. Piel, D.Wehler,V.Z. Kresin, Ya.G. Ponomarev, LA. Borisova, Chong Soon Khi, E.B. Tsokur, L. Buschmann, L. Winkeler, G. Gutherodt, K. Winzer. Geometrical resonance effects in HTSC break junctions //Intern. Conf. on Phys. anil Cnein. of Molec. and Oxide Super com!., Karlsruhe, Germany, August 2-6,1996, Prog, and Abstr., PM 18, 89.

7. B.A. Aminov, M.A. Hein, M. A.Lorenz, G. Müller, H. Piel, D.Weh!er,V.Z. Kresin, Ya.G. Ponomarev, I.A. Borisova, Chong Soon Khi, E.B. Tsokur, L. Buschmann, L. Winkeier, G. Gutherodt, K. Winzer. Geometrical resonance effects in HTSC break junctions //Journal of Low Temperature Physics, v. 105, N5/6, 1996, pp. 12251230,

oon CDi!3. m-ra Miy 3aK. 341-80-97