Электронная структура и транспортные свойства смешанного состояния мезоскопических сверхпроводников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

Силаев Михаил Андреевич

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА

СМЕШАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕЗОСКОПИЧЕСКИХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

Специальность 01 04 07 - физика конденсированного состояния

ии^44В 141:

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

1 8 СЕН 2С03

Нижний Новгород - 2008

003446145

Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущая организация

доктор физико-математических наук Мельников Александр Сергеевич доктор физико-математических наук Зюзин Александр Юрьевич ФТИим АФ Иоффе доктор физико-математических наук Сатанин Аркадий Михайлович ННГУим НИ Лобачевского Институт теоретической физики им Л Д Ландау РАН, Москва

Защита состоится 25 сентября 2008 г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002 098 01 Института Физики Микроструктур РАН (603950, Нижний Новгород, ГСП-105)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Физики Микроструктур РАН

Автореферат разослан "25" августа 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

К ГТ Гайкович

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Свойства вихревого состояния сверхпроводников активно исследуются на протяжении нескольких десятилетий Одной из фундаментальных задач в этой области является изучение электронной структуры вихревого состояния Большинство обычных сверхпроводников, обладающих в - типом симметрии параметра порядка, характеризуются конечным значением щели в спектре квазичастичных возбуждений До на всей поверхности Ферми Переход в вихревое состояние в достаточно сильном магнитном поле Н>Нс! сопровождается существенным подавлением щели, что связано с появлением состояний, локализованных вблизи вихревых центров Особенный интерес, который вызывает исследование таких состояний, обусловлен тем, что именно они определяют низкотемпературное поведение термодинамических и транспортных характеристик сверхпроводников в магнитном поле Как было впервые показано в классической работе СагоЬ- ¿с Сеппез-МаЬпсоп [1], с каждым отдельным вихрем связана так называемая аномальная ветка в спектре квазичастиц Энергия подщелевых уровней, соответствующих этой ветке, меняется в пределах от -До до До и является нечетной функцией углового момента квазичастиц, определенного относительно вихревой оси

В последнее время ведутся интенсивные исследования структуры вихревого состояния в сверхпроводниках субмикронных размеров с размерами порядка нескольких длин когерентности [3,4] В таких системах (тн мезоскопических сверхпроводниках) оказывается возможным существование экзотических вихревых состояний многоквантовых вихрей и вихревых молекул с размером, меньшим длины когерентности Наряду с детальным исследованием структуры параметра порядка в новых вихревых конфигурациях естественный интерес вызывает развитие теории электронных состояний в таких системах При этом представляется необходимым выполнить обобщение теории СагоЬ- с!е Оеппез- МаШсоп на случай много-вихревых конфигураций с учетом как межвихревого туннелирования квазичастиц, так и образования много квантовых вихрей Также для корректного описания электронной структуры мезоскопического сверхпроводника надо учесть эффекты, связанные с нормальным рассеянием квазичастиц Как было показано в работе Ларкина и Овчинникова [4], существенная модификация спектра может быть вызвана даже малым количеством примесей атомарных размеров Естественно ожидать, что роль нормального рассеяния на границах образца должна быть особенно важной при рассмотрении спектра вихрей в мезоскопическом сверхпроводнике малых размеров

Экспериментальное исследование особенностей электронной структу-

ры может быть осуществлено, например, с использованием сканирующей туннельной спектроскопии [5], а также при измерениях теплового транспорта вдоль направления магнитного поля [6] Поэтому представляются актуальными расчеты плотности электронных состояний и обобщение теоретического анализа теплового транспорта вдоль вихрей с учетом граничных эффектов

Недавно (см , например, работу [7]) был разработан метод диагностики вихревого состояния мезоскопических сверхпроводников с помощью измерения туннельного электрического кондактанса в разных точках образца "Multiple-Small-Tunnel-Junction method" Этот метод позволяет определить магнитное поле входа вихря в образец, а также переход вихревая молекула- гигантский вихрь, ассоциируя переходы между различными вихревыми конфигурациями со скачкообразными изменениями сопротивления контактов В этой связи представляется интересным провести теоретический анализ влияния вихрей Абрикосова на транспортные характеристики контактов нормальный металл/сверхпроводник Основной физический эффект, который предполагается исследовать, состоит в том, что наличие подщелевых квазичастичных состояний, локализованных на вихрях, должно приводить к резонансному увеличению туннельного кондактанса контакта Заметим, что аналогичный эффект имеет место в туннельных контактах с рядом сверхпроводников, обладающих необычным типом спаривания В этом случае увеличение кондактанса происходит за счет резонансного туннелирования электронов из нормальной в сверхпроводящую область через поверхностные андреевские состояния, локализованные на границе сверхпроводника [9, 10,11,12,13,14]

Наличие связанных андреевских состояний, локализованных вблизи границ, примесей и других центров нормального рассеяния квазичастиц, является одной из важных особенностей сверхпроводников с необычным типом спаривания Примерами необычных сверхпроводников являются многие сверхпроводящие купратные соединения, такие как Yba2Cu307.x и La2 xSrxCu04, в которых реализуется сверхпроводящее состояние с симметрией d-типа Также в последнее время интенсивно ведутся исследования сверхпроводящего состояния в соединении Sr2Ru04, предположительно обладающем киральным р-типом спаривания [14] Спектр поверхностных состояний в киральных сверхпроводниках нетривиальным образом зависит от направления внешнего магнитного поля [15], а также от значения завихренности в случае, если вблизи поверхности расположен вихрь Абрикосова Характерная длина локализации поверхностных состояний определяется длиной когерентности Поэтому естественно ожидать, что электронная структура киральных мезоскопических сверхпроводников с необычной симметрией будет существенно зависеть от геометрии границы и размеров образца (в случае d- симметрии подобные эффекты исследовались, напри-

мер, в работах [12, 13]) Таким образом, представляются актуальными расчеты электронной структуры киральных мезоскопических сверхпроводников в магнитном поле

Цель работы

1 Разработка аналитического метода расчета квазичастичного спектра в смешанном состоянии сверхпроводников второго рода в области достаточно низких магнитных полей Изучение трансформации спектра при формировании вихревого кластера, связанного межвихревым квазичастичным туннелированием

2 Исследование электронной структуры смешанного состояния в мезоскопических сверхпроводниках с учетом влияния нормального рассеяния на границах образца на спектр андреевских уровней Расчет спектра квазичастиц и анализ измеримых характеристик, таких, как тепловой кондактанс и плотность состояний

3 Изучение зарядового транспорта в баллистических контактах нормальный металл/сверхпроводник (N/S) в магнитном поле Вычисление кон-дактанса контакта N/S с учетом резонансного андреевского туннелирования электронов из нормального металла в сверхпроводник через состояния Caroli- de Gennes- Matricon, локализованные в корах вихрей

4 Исследование электронного спектра вихря в мезоскопическом сверхпроводящем диске с киральной симметрией параметра порядка Расчет спектра с учетом гибридизации поверхностных квазичастичных состояний, локализованных на границе диска, и состояний, локализованных в коре вихря

Научная новизна

Научная новизна работы определяется оригинальностью поставленных задач, полученными новыми результатами и заключается в следующем

1 Проанализирована трансформация аномальных веток квазичастичного спектра при образовании вихревого кластера конечных размеров

2 Рассчитаны квазичастичные спектры и вычислен тепловой кондактанс вдоль магнитного поля для различных вихревых конфигураций в мезоскопических сверхпроводниках

3 Предсказан эффект увеличения кондактанса баллистических контактов нормальный металл/сверхпроводник под воздействием магнитного поля за счет резонансного андреевского туннелирования электронов через подщелевые уровни в корах вихрей Абрикосова

4 Исследовано влияние магнитного поля на квазичастичный спектр в мезоскопическом киральном сверхпроводнике

Научная и практическая значимость

Научная и практическая значимость результатов заключается в следующем

- С точки зрения приложений, большой интерес представляет возможность управления квантовым транспортом в сверхпроводниках внешним магнитным полем в связи с возможным применением подобных систем в микроэлектронике Проведенные расчеты тепловой и электрической проводимости для различных вихревых конфигураций позволяют сделать вывод о том, как должны зависеть транспортные характеристики сверхпроводящих образцов от внешнего магнитного поля

- Измерения теплового кондактанса являются одним из важных способов экспериментального исследования спектра квазичастичных возбуждений в сверхпроводниках Результаты теоретического исследования теплового транспорта, представленные в диссертационной работе, могут бьггь использованы для интерпретации подобных экспериментов в смешанном состоянии сверхпроводников На основе расчетов зависимости теплового кондактанса от магнитного поля может быть разработана новая методика диагностики вихревого состояния мезоскопических сверхпроводников

- Результаты исследования спектра квазичастиц в киральном мезоскопическом сверхпроводнике позволяют предложить способ определения кирапьности сверхпроводящего состояния на основе хорошо разработанных методов туннельной спектроскопии

Основные положения, выносимые на защиту

1 Рассчитаны квазичастичные спектры и вычислен тепловой кондак-танс вдоль магнитного поля для различных вихревых структур в мезоскопических сверхпроводниках Исследован переход от квазичастичного спектра многоквантового вихря к спектру отдельных вихрей, происходящий при уменьшении внешнего магнитного поля Предложен сценарий исчезновения аномальной ветки в квазичастичном спектре при выходе вихря через границу сверхпроводника Показано, что тепловой кондактанс растет при сближении вихрей, когда расстояние между вихрями становится меньше некоторого критического значения, составляющего несколько длин когерентности Также показано, что нормальное рассеяние квазичастиц на границах мезоскопического образца приводит к существенной стимуляции теплового транспорта вдоль вихревых линий

2 Показано, что рост концентрации вихрей Абрикосова в баллистическом контакте нормальный металл/ изолятор/ сверхпроводник приводит к значительному увеличению кондактанса с ростом магнитного поля Такое

поведение кондактанса вызвано резонансными переходами электронов из нормального контакта в квазичастичные состояния, локализованные на вихрях При этом конверсия нормального тока в сверхпроводящий становится более эффективной, чем в отсутствие вихрей

3 Исследовано влияние внешнего магнитного поля на квазичастичный спектр в мезоскопическом киральном сверхпроводнике Рассмотрен случай цилиндрической геометрии образца Найдено точное выражение для спектра поверхностных состояний, состоящего из набора аномальных веток, пересекающих уровень Ферми Показано, что наличие в образце вихря Абрикосова приводит к существенной трансформации спектра вблизи пересечения аномальных веток спектра поверхностных и вихревых состояний В зависимости от ориентации вихря расщепление веток может приводить к возникновению минищелей в спектре Ширина минищелей и положение соответствующих особенностей плотности состояний определяется величиной магнитного поля

Личный вклад автора в получение результатов

Соискатель принимал участие в постановке и решении теоретических задач, в обсуждении полученных результатов и их интерпретации В частности, вклад автора в решение задачи о квазичастичном спектре и транспортных свойствах мезоскопических сверхпроводников в магнитном поле является равноценным совместно с А С Мельниковым и Д А Рыжовым [Al, А2, А5, А6, А7, А8, А10, А12] Вклад автора в постановку и решение задачи о кондактансе контакта нормальный металл/сверхпроводник в магнитном поле [A3, А9, All], а также об электронном спектре вихря в мезоскопическом сверхпроводнике с киральной симметрией параметра порядка [A4] является определяющим

Апробация работы

Основные результаты работы обсуждались на семинарах в ИФМ РАН, в Технологическом университете г Хельсинки (Low Temperature laboratory, Helsinki University of Technology, Finland), в Католическом университете г Левен (Institute for Nanoscale Physics and Chemistry, Katholieke Umversiteit Leuven, Belgium) Материалы диссертационной работы были представлены на международных конференциях NanoPeter-2006, Meso-06, ФПС-2006, Дубна-Нано 2008, Spin helicity and chirahty in superconductor and semiconductor nanostructures (Karlsruhe, 2008), а также на международных симпозиумах Нанофизика и наноэлектроника (2006,2007,2008)

Публикации

По теме диссертации опубликовано 12 работ (5 статей в реферируемых научных журналах и 7 - в сборниках тезисов докладов)

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 100 наименований Общий объем - 121 страница, в диссертации приведено 24 рисунка

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели диссертационной работы, показана ее научная новизна, а также представлены сведения о структуре и содержании работы, приводятся положения, выносимые на защиту

Первая глава посвящена изучению в рамках теории Боголюбова- де Жена низкоэнергетической части квазичастичного спектра и теплового кондактанса смешанного состояния мезоскопического сверхпроводника На примере системы, состоящей из двух вихрей, изучена трансформация квазичастичного спектра при расщеплении многоквантового вихря на отдельные вихри, происходящая при уменьшении магнитного поля Для случая, когда вихри расположены близко к поверхности сверхпроводника, исследовано влияние нормального отражения квазичастиц от границы образца (как плоской, так и конечной кривизны) на спектр и плотность состояний

Рассмотрена трансформация спектра квазичастиц, происходящая при образовании многоквантового вихря из отдельных одноквантовых вихрей при увеличении магнитного поля, на примере двухквантового вихря Если расстояние а между вихрями велико (а>>£, где ( - длина когерентности), то спектр определяется выражением Саго1ь ёе Сеппез- Ма1:псоп е = -¡до [1], где ц - угловое квантовое число, и>=т0кР/к±, (к/= кр-к/, кр - фермиевский волновой вектор, к. - его проекция вдоль магнитного поля, ш0 ~ Ап /(кр£) -минимальное расстояние между уровнями, Д0 - амплитуда сверхпроводящей щели) В системе отсчета, где угловой момент определен относительно точки, лежащей посередине между вихрями, изоэнергетические линии представляют собой две пересекающиеся классические орбиты на плоскости (¡1,0Р) (пунктирные линии на Рис 1) Здесь вр - угол, определяющий направление импульса Ферми

Эти орбиты соответствуют траекториям квазичастиц в реальном пространстве, проходящим через коры вихрей Вблизи точек пресечения орбит необходимо учитывать конечную вероятность перехода квазичастиц с одной траектории на другую, т е туннелирование между вихрями, приводящее к расщеплению по р орбит в (ц.Ор) - пространстве Расщепленные орбиты изображены сплошными линиями на Рис 1а В рамках теории Бого-любова-де Жена (БдЖ) с учетом туннелирования Ландау-Зинера между орбитами в (71,0^) - пространстве, получено выражение для спектра квазичастиц (см также Рис 2)

С05(х£/а) = ±е~*р'/4 ^зЬ^яр2 /2~) (1)

Здесь р = ММЫ2) 7'], У = Аоехр(-К0(а/2))/\,

о 1 о

Х~к±а + р2 + ^Г[1-1Р2¡2) + л/4, (3)

параметр в* ~ £,/а определяет ширину области углов ориентации траектории, для которых важно учитывать туннелирование квазичастиц между вихрями Когда расстояние становится меньше критического а<ас~Цп(к&, уровни энергии начинают соприкасаться, появляются квазичастичные состояния на уровне Ферми [Рис 26] и при дальнейшем уменьшении межвихревого расстояния происходит переход к спектру многоквантового вих-

Рис 1 Классические орбиты на плоскости (м,9р) с е~ 0 для а) системы двух вихрей, б) вихря вблизи плоской границы и двух невзаимодействующих вихрей (пунктирные линии)

С увеличением магнитного поля вихри сближаются, расщепление изо-энергетических линий по ц увеличивается и необходимо учитывать большее число угловых гармоник. В этом случае (а<ас) проще получить спектр квазичастиц для близко расположенных вихрей по теории возмущений, решая задачу о распаде многоквантового вихря. Пользуясь квазиклассическим описанием движения квазичастиц по прямолинейным траекториям, в рамках теории БдЖ можно получить спектр как функцию непрерывной переменной ц. Дискретный спектр можно получить, используя правило квантования Бора-Зоммерфельда:

2 я

^ЛЬ \р(е,К,еруер=2л(п+0), (4)

о

где площадь под линией ц(£,кг,вр)> п - целое число, ¡3 ~ 1. Формула

(4) применима, когда расстояния между вихрями настолько малы, что величины всех расщеплений . где - квантовая неопределенность

углового момента, то есть, когда можно пренебречь туннелированием Лан-дау-Зинера.

Рис.2. Квазичастичный спектр для системы двух вихрей, находящихся на расстоянии а) а=5£ и б) а=3,5с. Спектр Саго И- с1е веппез- МаШсоп показан пунктирными линиями.

В мезоскопических сверхпроводниках необходимо учитывать нормальное отражение квазичастиц от границ образца, также приводящее к модификации спектра квазичастиц. Эффекты, связанные с нормальным отражением, становятся важными, когда вихри находятся вблизи границы образца. В случае плоской границы можно использовать метод отражений, рассматривая задачу о спектре квазичастиц для пары вихрь - антивихрь во всём пространстве. Для антивихря движение по орбите в (ц,вр) - пространстве

происходит в обратную сторону. Расщепление орбит в этом случае происходит по углу вр [см. Рис. 16]. Правило квантования Бора-Зоммерфельда нужно применять к обеим замкнутым траекториям, но при этом половина решений для спектра окажутся фиктивными, поскольку они соответствуют волновым функциям, чётным относительно границы. Учитывая соответствующие правила отбора и туннелирование Ландау - Зинера, мы получаем спектр, изображённый на Рис.3.

Рис.3 Квазичастичный спектр для вихря, находящегося на расстоянии а) ¿=2,50, и б) с1=1,75\ от плоской границы.

Таким образом, когда расстояние становится меньше критического £<с1<с1с~(У2)1п(кр1), спектр трансформируется так же, как и при сближении двух вихрей. Когда с/ становится меньше £ заметным образом начинает увеличиваться расстояние между уровнями, и при выходе вихря из образца аномальные ветки подщелевого спектра исчезают.

Экспериментально модификация аномальных веток спектра квазичастиц может быть изучена, например, с помощью сканирующей туннельной микроскопии или измерении характеристик низкотемпературного теплового транспорта. На основе полученных спектров мы рассчитали плотность квазичастичных состояний и зависимость теплового кондактанса вдоль вихрей от магнитного поля и температуры. С ростом магнитного поля (уменьшением расстояния между вихрями) плотность состояний эволюционирует к плотности состояний двухквантового вихря \'2=2Уо=кг/(2а>а). Основываясь на теории Ландауэра [16], мы рассчитали тепловой кондак-танс системы двух вихрей и вихря вблизи границы мезоскопического сверхпроводника в баллистическом режиме для полученных дискретных спектров. В расчетах мы пренебрегли эффектами рассеяния квазичастиц на границах сверхпроводник/нормальный металл. Тепловой кондактанс может быть выражен в единицах к0 = Т/(ЗЬ), где Т- температура (что соответствует кондактансу одной моды в нормальном состоянии): к=коЫф где эффек-

тивное число мод Neff можно интерпретировать как число распространяющихся в сверхпроводнике волн, переносящих тепло Было получено, что при увеличении расстояния между вихрями эффективное число мод убывает от величины кчто соответствует числу мод с нулевой энергией в спектре двухквантового вихря, до величины порядка Т/ш0, определяющей число эффективных мод для одноквантового вихря

Вторая глава посвящена исследованию кондактанса N/S контакта во внешнем магнитном поле Предполагается, что магнитное поле, параллельное плоскости контакта, создает в сверхпроводнике вихри Абрикосова вблизи границы с нормальным металлом (см Рис 4) Нормальная и сверхпроводящая области разделены потенциальным барьером, подавляющим андреевское отражение и транспорт заряда через N/S границу В работе показано, что наличие вихрей приводит к сильному увеличению кондактанса контакта благодаря резонансному андреевскому туннелированию через подщелевые квазичастичные состояния, локализованные на вихрях Аналогичный эффект имеет место в двухбарьерном резонансно-туннельном диоде Вероятность туннелирования через двухбарьерную квантовую структуру увеличивается, когда энергия падающих частиц совпадает с некоторыми резонансными уровнями, соответствующими связанным состояниям в квантовой яме В этом случае амплитуда отраженной волны подавляется благодаря интерференции волн в квантовой яме В нашем случае роль квантовой ямы играет кор вихря, и связанное квазичастичное состояние состоит из электронной и дырочной волн почти одинаковой амплитуды Поэтому, когда энергия падающего электрона имеет резонансное значение, вероятность отражения электронной волны подавляется, а вероятность ан-реевского отражения увеличивается за счет туннелирования дырок из кора вихря в область нормального металла

Безразмерный кондактанс [в единицах е2/{¿iti)}, индуцированный одним вихрем при нуле температур выражается следующей формулой

Gv~N,e2^ Т„ (8),

где а - расстояние от вихря до N/S границы, £ - длина когерентности, kF -фермиевский волновой вектор, Nr ~ kF% - число резонансных поперечных мод, эффективно взаимодействующих с квазичастичными состояниями, локализованными в корах вихрей

Фактор e~2aliTs определяется вероятностью туннелирования из нормального металла в кор вихря через барьер с прозрачностью Ts и слой сверхпроводника шириной а с прозрачностью e~2a/i

Полный кондактанс, индуцированный вихревой цепочкой, равен сумме вкладов от отдельных вихрей Gvl = nvGv, где nv = Lv jLv - полное чис-

ло вихрей вблизи плоскости контакта. Наряду с резонансным механизмом андреевского отражения существует также и нерезонансная схема двухчастичного туннелирования через поверхностный барьер с вероятностью Т~.

Соответствующий кондактанс можно оценить как С0 ~ М0Т^, где И0 — крЬу л - число поперечных мод в контакте. Поэтому полный кондактанс контакта равен

в = а Ы0Т,2 + пур Иге'2а1е Тх, (9)

где а, Р ~ 1.

дырки

отраженные электроны

падающие

ээтектроны X

Рис.4. Геометрия N/S контакта и схематичное изображение траекторий квазичастиц. Ширина контакта Lv, магнитное поле направлено вдоль

оси z. Расстояние от вихревой цепочки до N/S границы а , расстояние между вихрями Lv.

С уменьшением прозрачности барьера и расстояния а растет вклад резонансного андреевского отражения в кондактанс. Этот вклад становится определяющим, когда расстояние от вихрей до N/S границы меньше порогового значения ас = £ ln[L,./(^Ts)].

Для качественной оценки зависимости кондактанса от внешнего магнитного поля В положим a,Lv ~ ^¡ф^/В , где ф0 =7rhc/e- квант магнитного потока. Тогда, в случае малой прозрачности контакта, зависимость кондактанса от поля имеет следующий вид:

где Нс2 ~ ф0!%2 - верхнее критическое поле Таким образом, при увеличении поля кондактанс увеличивается от значения ЫдТ52 в нулевом поле до ЫпТ при В ~ Нс2

В третьей главе исследуется электронный спектр в мезоскопическом сверхпроводнике с киральной симметрией параметра порядка В последнее время ведутся активные исследования необычной сверхпроводимости в недавно открытом соединении Зг2Яи04 [14] Сверхпроводимость в этом материале имеет нетривиальную спиновую структуру куперовские пары находятся в триплетном состоянии Таким образом, в силу принципа Паули орбитальное состояние куперовских пар должно быть пространственно нечетным, те соответствовать нечетному значению орбитального момента относительного движения электронов в паре Такая нетривиальная структура щели в импульсном пространстве приводит к появлению поверхностных состояний на границе сверхпроводник/изолятор [8]

Под действием магнитного поля, создающего экранирующие токи и вихри в сверхпроводнике, уровни поверхностных состояний модифицируются из-за эффекта допплеровского сдвига энергии, что приводит к расщеплению пика кондактанса [10]

Если в киральном сверхпроводнике появляется вихрь Абрикосова, то кроме эффекта доплеровского сдвига [12] необходимо также учитывать гибридизацию поверхностных и вихревых состояний [1] В этом случае, модификация спектра определяется перекрытием волновых функций квазичастиц, локализованных вблизи поверхности сверхпроводника и в коре вихря В работе рассмотрена модельная ситуация, когда сверхпроводящий образец представляет собой идеальный диск в плоскости (ху) Поскольку система обладает аксиальной симметрией, спектр поверхностных состояний может быть выражен как функция углового момента ц Как и в предыдущих главах, мы предполагали справедливость квазиклассического приближения, рассматривая движение квазичастиц вдоль прямолинейных траекторий, направление которых определяется импульсом квазичастиц Используя аналогию с точечным контактом Джозефсона, можно записать энергию поверхностных состояний в виде = —Ад соз{(р12), где 0 < <

2л - разница фаз параметра порядка для падающей и отраженной квазичастицы При отражении траектории от границы диска угол вр преобразуется как вр —> вр +п+2агсзт(Ь/Я), где Ь=-/л/кР - прицельный параметр, т е расстояние от траектории до центра диска, Я - радиус диска В случае, когда параметр порядка является пространственно-однородным (отсутствуют сверхпроводящие токи), нетрудно получить, что

<р=[х(л+2агс$1п(Ь/Я))]тос1(2л), а спектр состоит из набора аномальных веток [18, 19]

■ с")

где]=1 х и И]~(кРК)8т(лп/2х) Целочисленный индекс из интервала ~х< ^<х должен быть выбран таким образом, чтобы разница (х-п) была нечетной Как было показано в работе [17], спектр поверхностных состояний (12) похож на спектр квазичастиц, локализованных в коре многоквантового вихря [19] Расстояние между дискретными уровнями, принадлежащими аномальным веткам сОу-хД[/(кьЯсоз(тт/2х)), намного меньше, чем щель в спектре безграничного сверхпроводника А0, поскольку кгЯ»] Поэтому аномальные ветки могут рассматриваться как непрерывные функции прицельного параметра 6=-// /кР

Рис 5 Сплошными линиями показана трансформация спектра при взаимодействии вихревых и поверхностных состояний в сверхпроводящем диске а) киральность и завихренность имеют разные знаки (г\=1, Х=~1)> б) киральность и завихренность имеют одинаковые знаки (т]=1, /=/) Пунктирная и штрихпунктирная линии соответствуют невзаимодействующим спектральным веткам вихревых и поверхностных состояний

Если в центре диска расположен вихрь Абрикосова, в спектре квазичастиц появляется еще одна аномальная ветка энергии, соответствующая вихревым состояниям [1]

£У{М) = -М<»* (¡2)

Здесь г»у ~ 7/4,, где £ = НУг/Ад - длина когерентности, УР= ккр/т -

скорость Ферми Значения углового момента в выражении (12) являются целыми (полуцелыми) для нечетного (четного) значения киральности [20] Рассматривая спектральные ветки еу(Ъ) и еч(Ь) как функции непрерывного прицельного параметра Ь~-/1/кг, нетрудно видеть, что они пересекаются в

некоторых точках Ь~Ъ;

Расщепление уровней энергии в точке вырождения возникает благодаря гибридизации вихревых и поверхностных состояний и может бьггь оценено с помощью теории возмущений для почти вырожденной двухуровневой системы

= ^. (13)

где фактор У определяется перекрытием волновых функций

Используя разложение в ряд Тейлора £„(Ь)=еу(Ь) + е\ (Ъ)(Ъ-Ъ) и + е'^ (Ь)(Ь-Ь), легко видеть, что расщепление веток зависит от их относительного наклона е\, (ь) и (ь^) в точке ь~ ь1 В случае, если знаки производных различны, в спектре появляется минищель Ширина ми-нищели, т е минимальное расстояние между уровнями, принадлежащими различным веткам энергии, может бьггь найдена из уравнения (14) в следующем виде

|ф|£;|) (14)

В другом случае, когда е[ и е' имеют одинаковый знак, ширина минище-

ли равна нулю Для простоты, исследуя взаимодействие вихревых и поверхностных состояний, рассмотрим сверхпроводник р-типа (х~1) В этом случае существует одна аномальная ветка поверхностных состояний е/Ь), пересекающая уровень Ферми при Ь=0 одновременно с аномальной веткой вихревых состояний е>(Ь) Поэтому трансформация спектра происходит в области малых энергий \е\«Л0, когда поверхностные и вихревые состояния хорошо локализованы и интеграл перекрытия может быть оценен следующим образом ./ ~ В этом случае, расщепление веток энергии показано на Рис 5 для разных знаков киральности х и завихренности т]

В заключении кратко сформулированы основные результаты работы Работа посвящена исследованию спектра квазичастиц в смешанном состоянии мезоскопических сверхпроводников Рассчитаны электронные спектры для различных вихревых структур в мезоскопических сверхпроводниках Исследованы зависимости от магнитного ноля транспортных характеристик сверхпроводника, Показано, что тепловой кондактанс в направлении вдоль вихревых линий растет при сближении вихрей с ростом внешнего магнитного поля Рост теплового кондактанса обусловлен перестройкой спектра квазичастиц, приводящей к увеличению числа распространяющихся мод Найдено, что повышение концентрации вихрей в баллистическом контакте нормальный металл/изолятор/сверхпроводник приводит к значительному увеличению проводимости контакта с ростом маг-

нитного поля Такое поведение проводимости вызвано резонансными переходами электронов из нормального контакта в квазичастичные состояния, локализованные на вихрях Также изучено поведение аномальных веток спектра поверхностных и вихревых состояний в мезоскопическом кираль-ном сверхпроводнике в магнитном поле и найдена зависимость плотности состояний на уровне Ферми от направления и величины приложенного магнитного поля

Список литературы

[1] Caroli, С Bound fermion states on a vortex line in a type-II superconductor! С Caroli, P G de Gennes, J Matncon// Phys Lett - 1964 - Vol 9 - P 307 -309

[2] Schweigert, V A Vortex Phase Diagram for Mesoscopic Superconducting Disks/ V A Schweigert, F M Peeters, and P Smgha Deo// Phys Rev Lett-1998 -Vol 81 -P 2783-2786

[3] Geim, А К Fine Structure in Magnetization of Individual Fluxoid Statesi А К Geim, S V Dubonos, J J Palacios, I V Grigorieva, M Henini, J J Schermer//Phys Rev Lett-2000-Vol 85-P 1528-1531

[4] Larkin, A 1 Resistance of layered superclean superconductors at low temperatures/A I Larkin, Yu N Ovchinmkov// Phys Rev B-1998 -Vol 57-P 5457-5465

[5] Hess, H F Vortex-core structure observed with a scanning tunnel microscope/ H F Hess, R В Robinson, and J V WaszczakII Phys Rev Lett -1990-Vol 64-P 2711-2716

[6] Lowell, J Mixed-State Thermal Conductivity of Type II Superconductors/ J Lowell and J В Sousa// J Low Temp Phys - 1970 - Vol 3 - P 65-87

[7] Kanda, A Experimental Evidence for Giant Vortex States in a Mesoscopic Superconducting Disk/ A Kanda, В J Baelus, F M Peeters, К Kadowaki, andY Ootuka//Phys Rev Lett-2004 - Vol 93-P 257002-1 - 257002-4

[8] Ни, С R Midgap surface states as a novel signature for d , — d , -Wave

Xa Xb

Superconductivity/ С R Hull Phys Rev Lett - 1994 - Vol 72-P 15261529

[9] Laube, F Spin-Triplet Superconductivity in Sr2Ru04 Probed by Andreev Reflection/ F Laube, G Goll, H V Lohneysen, M Fogelstrom, and F Lichtenberg// Phys Rev Lett -2000-Vol 84-P 1595-1598

[10] Graser, S Shadow on the Wall Cast by an Abrikosov Vortex!S Graser, С Imotakis, T Dahm and N Schopohl// Phys Rev Lett - 2004 - Vol 93 -P 247001-1-247001-4

[11] Barash, Yu S Josephson current between chiral superconductors/ Yu S Barash, A M Bobkov, and M Fogelstrom//Phys Rev В-2001 - Vol 14-P 214503-1-214503-14

[12] Iniotakis, С Local density of states at polygonal boundaries of d-wave superconductors/ С Iniotakis, S Graser, T Dahm, and N Schopohl// Phys Rev В-2005-Vol 71-P 214508 -1-214508 -9

[13] Fominov, Ya V Density of states in d-wave superconductors offinite size/ Ya V Fominov and A A Golubov// Phys Rev В -2004- Vol 70- P 212513-1-212513-4

[14] Mackenzie, A P The superconductivity ofSr2Ru04 and the physics of spin-triplet pairing/ A P Mackenzie and Y Maeno//Rev Mod Phys-2003-Vol 75-P 657-711

[15] Yokoyama, T Chirality sensitive effect on surface states in chiral p-wave superconductors/ T Yokoyama, С Iniotakis, Y Tanaka, and M Sigrist// Phys Rev Lett -2008-Vol 100-P 177002-1-177002-4

[16] Kopmn, N В Single-electron transport through the vortex core levels in clean superconductor1;/N В Kopmn, A S Mel'nikov and V M Vinokur// Phys Rev В -2003- Vol 68 -P 054528-1-054528-6

[ 17] VoloVik, GEO« edge states in superconductors with time inversion symmetry breaking/G E Volovik// JETP Lett-1997 - Vol 66 -P 522-527

[18] Stone, M Edge modes, edge currents, and gauge invariance in px+ipy su-perjluids and superconductors/ M Stone and R Roy// Phys Rev В - 2004 -Vol 69 -P 184511-1 -184511-12

[19] Virtanen, S M M Multiquantum vortices m superconductors Electronic and scanning tunneling microscopy spectra/ S M M Virtanen and M M Salomaa//Phys Rev В-1999-Vol 60 -P 14581- 14584

[20] Volovik, G E Fermion zero modes on vortices in chiral superconduc-tors/G E Volovik//JETP Lett-1999-Vol 70 -P 609-614

Список публикаций автора по теме диссертации

[Al] Mel'nikov, A S Intervortex quasiparticle tunneling and electronic structure of multi-vortex configurations in type-II superconductors /AS Mel'nikov and M A Silaev// Письма в ЖЭТФ -2006 -T 83 Вып 11-12,-С 675-680

[А2] Винокур, В М Вихревые состояния в мезоскопических сверхпроводниках! В М Винокур, Н Б Копнин, А С Мельников, И М Нефедов, В И Позднякова, Д А Рыжов, М А Силаев, И. А Шерешевский// Известия РАН Серия физическая - 2007 -Т 71 Вып 1 - С- 12-15

[A3] Silaev, М A Conductance enhancement due to the resonant tunneling into the subgap vortex core states in normal metal/superconductor ballistic junctions/ M A Silaev// Physical Review В.- 2008 - Vol 77 - P 014504-1 -014504-8

[А4] Silaev, M A Electronic structure of edge and vortex states in chiral mesoscopic superconductor/ M A Silaev// Письма в ЖЭТФ -2008 -T 87 Вып 7-8,-С 511-516 [А5] Mel'mkov, A S Electronic structure and heat transport of multi-vortex configurations in mesoscopic superconductors/ A S Mel'nikov, D A Ryzhov and M A Silaev// Physical Review В - 2008 - Vol 78 - P 0645131 -064513-20

[A6] Мельников, А С Электронные состояния в вихревых кластерах в сверхпроводниках второго рода/ А С Мельников, М А Силаев// Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" сборник тезисов докладов, Звенигород, Россия, 2006 - С 365 [А7] Мельников, А С Электронные состояния в вихревых молекулах в сверхпроводниках второго рода/ А С Мельников, М А Силаев // На-нофизика и наноэлектроника Материалы международного симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 2006 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 2006 - С 161

[А8] Мельников, А С Спектр вихревых электронных состояний в сверхпроводнике вблизи плоской границы/ А С Мельников, М А Силаев// Нанофизика и наноэлектроника Материалы международного симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 2007 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 2007 - С 269 [А9] Силаев, М А Кондактанс баллистического контакта нормальный метам/сверхпроводник резонансное андреевское туннелирование через вихри Абрикосова/ М А Силаев// Нанофизика и наноэлектроника Материалы международного симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 2008 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 200Х -С 126 [А10] Мельников, А С Вихревые состояния в мезоскопических сверхпроводниках электронная структура и квантовый транспорт/ А С Мельников, Д А Рыжов, М А Силаев// Нанофизика и наноэлектроника Материалы международного симпозиума, Нижний Новгород, Россия, 2008 - Нижний Новгород ИФМ РАН, 2008 -С 392 [All] Silaev, М A Conductance enhancemen' due to the resonant tunneling into the subgap vortex core states in normal metal/superconductor ballistic junctions! M, A Silaev// International cmference on theoretical physics "Dubna-Nano 2008" book of abstracts, Dubna, Russia, 2008 -Joint institute for nuclear research, 2008 -P 122 [A12] Mel'nikov, A S Multi-vortex configurdions m mesoscopic superconductors electronic structure and heat traisport/ A S Mel'nikov, D A Ryzhov, and M A Silaev// International conference on theoretical physics "Dubna-Nano 2008" book of abstracts, Dubna, Russia, 2008 -Joint institute for nuclear research, 2008 -P 110

и

Силаев Михаил Андреевич

ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА И ТРАНСПОРТНЫЕ СВОЙСТВА СМЕШАННОГО СОСТОЯНИЯ МЕЗОСКОПИЧЕСКИХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ

' Автореферат

Подписано к печати "26" июня 2008 г Тираж 100 экз

Отпечатано на ризографе Института физики микроструктур РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

Введение

1. Электронная структура многовихревых конфигураций и тепловой транспорт в мезоскопических сверхпроводниках.

1. Введение.

2. Метод.

2.1. Квазиклассическое приближение в уравнениях Боголюбова де Жена: уравнения Андреева.

2.2. Пример: аномальные ветки спектра в многоквантовом вихре.

3. Трансформация аномальных веток спектра: качественное рассмотрение

3.1. Влияние межвихревого тунеллирования квазичастиц на спектр

3.2. Нормальное рассеяние квазичастиц на границе образца

4. Переход от многоквантового вихря к вихревой молекуле.

4.1. Квазиклассическое рассмотрение.

4.2. Учет туннелирования между квазиклассическими орбитами.

5. Спектр вихря вблизи границы образца.

6. Плотность состояний

7. Тепловой кондактанс.

8. Зависимость теплового кондактанса от магнитного поля: качественная картина.

2. Модель.78

3. Задача рассеяния: вероятности нормального и андреевского отражения.81

4. Расчет кондактанса.83

5. Обсуждение результатов.86

3. Электронная структура поверхностных и вихревых мод в киралfa-ном мезоскопическом сверхпроводнике. 91

1. Введение. 91

2. Спектр краевых состояний. 96

3. Взаимодействие поверхностных и вихревых состояний.100

4. Влияние шероховатости границы.102

Заключение 104

Приложение 106

Публикации автора по теме диссертации 111

Литература 113

Введение.

Актуальность темы.

Феномен сверхпроводимости в течении долгого времени привлекает внимание исследователей, как теоретиков так и экспериментаторов. Интерес к изучению сверхпроводящих материалов связан не только с разнообразными физическими явлениями, многие из которых еще не получили объяснения, но также и с широкими возможностями практического применения сверхпроводников. Одним из важнейших разделов физики сверхпроводимости является исследование поведения сверхпроводников в магнитном ноле. Как известно, в большинстве случаев магнитное поле приводит к разрушению сверхпроводимости [1]. При постепенном увеличении магнитного поля сначала в сверхпроводниках наблюдается эффект Мейсснера, состоящий в том, что внешнее магнитное поле проникает в сверхпроводящий образец лишь на достаточно малое расстояние. Затем, при достижении критического значения поля, сверхпроводник переходит в состояние, характеризующееся одновременным наличием нормальных и сверхпроводящих областей. В сверхпроводниках первого рода фазовый переход в такое состояние при увеличении поля происходит скачкообразно, с образованием конечных зародышей нормальной фазы. В этом случае сверхпроводник расслаивается на нормальные и сверхпроводящие домены, конфигурация которых зависит от геометрии образца. В отличие от сверхпроводников первого рода, сверхпроводники второго рода в достаточно сильных магнитных полях ведут себя принципиально другим образом. Когда внешнее поле становится больше некоторого значения, называемого нижним критическим Нс\, в сверхпроводнике появляются области нормальной фазы, имеющие вид квантованных вихревых нитей, получивших название вихрей Абрикосова [2]. Вихревое состояние сверхпроводников второго рода существует в иитервале полей от Нс 1 до верхнего критического поля Нс2. При этом происходит постепенное увеличение концентрации вихрей с ростом магнитного поля и плавное подавление сверхпроводящего параметра порядка. При достижении поля Нс2 сверхпроводимость исчезает и происходит фазовый переход второго рода в нормальное состояние. Далее в настоящей работе мы будем иметь в виду только лишь сверхпроводники второго рода.

Свойства смешанного состояния сверхпроводников активно исследуются на протяжении нескольких десятилетий. Одной из фундаментальных задач в этой области является изучение электронной структуры вихревого состояния. Как следует из теории Бардина, Купера, Шриффера [3], природа сверхпроводимости тесно связана с наличием энергетической щели в спектре квазичастичных возбуждений вблизи поверхности Ферми. В однородном сверхпроводнике энергия квазичастиц имеет следующий вид: где ек = НУр{к — кр), Шс-импульс квазичастицы, Нкр- импульс Ферми, Д(к) -энергетическая щель, которая, вообще говоря, зависит от направления импульса Кк. Симметрия сверхпроводящего состояния определяет структуру щели в импульсном пространстве, в частности, наличие нулей в спектре возбуждений [4]. Большинство обычных сверхпроводников, обладающих я - типом симметрии параметра порядка, характеризуются конечным значением щели на всей поверхности Ферми Д(к) = До - Однако, если к сверхпроводнику приложено магнитное поле, подобное описание спектра квазичастиц хорошо работает, только когда сверхпроводник находится в мейсснеровском состоянии. Переход в вихревое состояние в достаточно сильном магнитном поле Н > IIс] сопровождается существенным подавлением щели, что связано с появлением состояний, локализованных вблизи вихревых центров. Особенный интерес, который вызывает исследование таких состояний, обусловлен тем, что именно они определяют низкотемпературное поведение термодинамических и транспортных характеристик сверхпроводников в магнитном поле. Как было впервые показано в классической работе СагоИ, с!е СеппеБ, МаЬпсоп (СсЮМ) [5], с каждым отдельным вихрем связана так называемая аномальная ветка в спектре квазичастиц. Энергия подщелевых уровней е(ц), соответствующих этой ветке, меняется в пределах от — До до +До при изменении углового момента определенного относительно вихревой оси. В области низких энергий |е| До спектр является линейной функцией е(^) ~ — /ш, где и) ~ До/(^хО> ^о Щель в спектре возбуждений сверхпроводника вдалеке от оси вихря, к1 — \/к'р — к ¡г- импульс Ферми, к2- проекция импульса на ось вихря, £ = НУр/А0 - длина когерентности, Ур- скорость Ферми и ц принимает полуцелые значения. Заметим, что в большинстве сверхпроводников длина когерентности значительно превышает атомные масштабы: как правило, кр£ ~ 102 —103 1. Таким образом, минимальная энергия возбуждений в вихревом состоянии сверхпроводника намного меньше, чем в отсутствии магнитного поля: ~ До/(кр^) До-Как нетрудно видеть, энергия состояний, принадлежащих аномальной ветке, зависит только от двух квантовых чисел: импульса вдоль оси вихря /с~ и углового момента ¡л. Что же касается радиального квантового числа п, то оно равно нулю для спектра СсЮМ. Существуют также нодщелевые спектральные ветки, соответствующие п ф О, найденные, например, в работе Минца и Рахманова в рамках полуклассического подхода [6]. Эти ветки сосредоточены вблизи края щели ±До и практически сливаются с непрерывным спектром делокализованных состояний

71

Наличие локализованных состояний является прямым следствием нетривиальной угловой зависимости параметра порядка в окрестности кора вихря: Д ~ егв, где в- полярный угол в системе отсчета с началом координат в центре вихря [см. Рис.1(а)|. Нагляднее всего это можно продемонстрировать, используя квазиклассическое описание движения квазичастиц вдоль прямолинейных траекторий [8]. Применимость квазиклассического приближения определяется условием кр11 1, означающим, что длина волны электронов в металле Лр — 2-к/кр намного меньше длины когерентности определяющей характерные масштабы изменения параметров сверхпроводника. Каждая траектория характеризуется двумя параметрами: направлением, которое определяется импульсом квазичастиц Аа(соз0р,81П0р), и прицельным параметром (расстоянием до центра вихря), который связан с угловым моментом ц относительно оси вихря следующим образом: Ь = (см. Рис.1Ь). Дискретность спектра СсЮМ в квазиклассическом приближении не учитывается, и аномальная ветка спектра в этом случае является непрерывной функцией ги{Ь) — До(Ь/£) ]8, 9|. Спектральная задача вдоль траекторий, проходящих через центр вихря полностью аналогична задаче о квачичастичном спектре короткого джозефсоновского контакта (длина которого меньше £) с разностью фаз сверхпроводящих берегов <¿>7 = тг. Положение андреевских уровней в таком контакте зависит от разности фаз ^pJ как £J = — Дисоз((^.;/2) (где 0 < < 2тг). Таким образом, при tpJ = тг спектральные ветки пересекают уровень Ферми. Аналогию с вихревыми состояниями нетрудно проследить, если заметить, что вдоль траектории, проходящей точно через центр вихря скачок фазы параметра порядка равен = тг, поэтому £»(Ь = 0) = — п) = 0. Для траекторий, проходящих на некотором расстоянии Ъ ф 0 от центра вихря, скачок фазы ц>} размывается, что приводит к отстройке уровней энергии от нуля.

Рис. X. (а) Вихревая линия, ориентированная вдоль магнитного поля, и волновая функция локализованного состояния СагоН-с1е Сеппн- Майпсоп; (Ь) киазиклассическая картина движения квазичастиц вдоль прямолинейных траекторий. Направление траекторий определяется вектором к ^, прицельный параметр траектории (расстояние до центра вихря}- угловым моментом: Ь =

Перекрытие волновых функций, локализованных на соседних вихрях, приводит к искажению спектра СсЮМ, которое выражается, например, в появлении энергетических зон в периодической вихревой решетке [10] и угловой модуляции профиля локальной плотности состояний |11, 12|. Заметим, что расстояние между уровнями ('»¡СМ можно оценить следующим образом: о-'о ~ Ьшд{НС2/Н), где ж шн — |е\Н/тпс -циклотронная частота, е и т- заряд и масса электрона. С увеличением концентрации вихрей в высоких магнитных полях, близких к верхнему критическому Нс2, расстояние между уровнями СсЮМ сравнивается с расстоянием между уровнями Ландау. В этом случае должен происходить переход к движению квазичастиц по замкнутым циклотронным орбитам, что в конечном итоге приводит к полному подавлению сверхпроводимости и формированию спектра Ландау нормального металла в магнитном поле [13].

В области больших магнитных полей Н Нс\ на сегодняшний день спектр хорошо исследован в предельном случае плотной вихревой решетки [14], когда магнитное поле близко к верхнему критическому Нс2- В то же время, представляется интересным изучить, как при увеличении магнитного поля происходит переход от изолированных квазичастичных уровней СсЮМ к делокализованным состояниям в вихревой решетке, характеризующихся бесщелевым спектром. Понимание механизма этого перехода позволило бы объяснить результаты экспериментов в которых наблюдались осцилляции де Гааза-ван Альфена даже в области достаточно низких магнитных полей Н ~ (0.3 — 0.4)Нс2 [15]. В качестве первого шага при расчете квазичастичного спектра в вихревой решетке необходимо рассмотреть задачу о трансформации спектра за счет интерференции состояний, локализованных в корах соседних вихрей при образовании конечных вихревых конфигураций. Заметим, что эта задача имеет также и самостоятельный интерес, поскольку конечные вихревые кластеры могут образовываться за счет влияния случайного потенциала пиннинга [16] или в мезоскопических сверхпроводящих структурах [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26].

Вопрос о свойствах смешанного состояния в мезоскопических сверхпроводниках привлекает в последнее время внимание многих исследователей. Современная технология позволяет изучать сверхпроводящие образцы с размерами порядка нескольких длин когерентности. Вихревые конфигурации в таких системах испытывают сильное влияние граничных эффектов. За счет баланса конкурирующих сил, действующих на вихри со стороны экранирующего тока, текущего вдоль границы образца, и сил отталкивания между отдельными вихрями оказывается возможным существование экзотических вихревых состояний - вихревых молекул, с размером меньшим длины когерентности [17], и многоквантовых (гигантских) вихрей [17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26]. Расстояние между вихрями, образующими вихревую молекулу может быть намного меньше длины когерентности в отличие от бесконечного сверхпроводника, где вихри образуют треугольную решетку. Расстояние между ближайшими вихрями в решетке Абрикосова составляет величину порядка у/фо/Н, где фо = 7г Не/е- квант магнитного потока [27]. Таким образом, даже в поле, полностью подавляющем сверхпроводимость Н = Нс2, расстояние между вихрями не может быть меньше \/фо/II,-2 ~

В силу наличия барьера Бина-Ливиигстопа [28], препятствующего входу (выходу) вихрей в образец через границу, в мезоскопических сверхпроводниках при одних и тех же параметрах могут существовать несколько метастабильных вихревых конфигураций. При изменении внешнего магнитного поля происходят фазовые переходы между различными вихревыми конфигурациями как за счет изменения полного числа вихрей в сверхпроводнике, так и в результате изменения относительного расположения вихрей в образце; (например, распад мпогоквапто-вого вихря на несколько одноквантовых). Экспериментально такие переходы наблюдаются при измерении зависимости магнитного момента сверхпроводника от внешнего магнитного поля. Например, при входе вихрей в образец (или выходе вихрей из образца) происходят фазовые переходы первого рода, что приводит к скачкообразному изменению магнитного момента и появлению новых веток на кривой намагничивания [17, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 30, 31, 32, 33, 34, 35]. Фазовые переходы второго рода, проявляющиеся в виде изломов на кривой намагничивания, соответствуют распаду (появлению) многоквантовых вихрей [24].

Наряду с детальным исследованием структуры параметра порядка в новых вихревых конфигурациях, представляет интерес также и развитие теории электронных состояний в таких системах. При этом представляется необходимым выполнить обобщение теории СсЮМ на случай многовихревых конфигураций, с учетом как межвихревого туннелирования квазичастиц, так и образования многоквантовых вихрей. Также для корректного описания электронной структуры ме-зоскопического сверхпроводника надо учесть эффекты, связанные с нормальным рассеянием квазичастиц. Волновые функции, соответствующие подщелевым уровням энергии, локализованы в окрестности кора вихря благодаря андреевскому отражению квазичастиц от неоднородного профиля параметра порядка. Любое дополнительное нормальное рассеяние квазичастиц должно приводить к модификации аномальной ветки. Как было показано в работе Ларкина и Овчинникова [36], существенная модификация может быть вызвана даже малым количеством примесей атомарных размеров. В случае, когда вихрь расположен около плоской границы, искажение локальной плотности состояний исследовалось в работе [37] на основе численного решения уравнений Эйленбергера' как для в так и для в, симметрии параметра порядка. Естественно ожидать, что роль нормального рассеяния на границах образца должна быть особенно важной при рассмотрении спектра вихрей в мезоскопическом сверхпроводнике малых размеров. В случае, когда в центре сверхпроводящего диска расположен одноквантовый вихрь, трансформация спектра была проанализирована в работах [39, 38], где было показано, что когда радиус диска Я меньше некоторого критического значения Яс ~ ^ спектр квазичастиц становится бесщелевым.

Экспериментальное исследование особенностей электронной структуры может быть осуществлено, например, с использованием сканирующей туннельной спектроскопии (СТМ) [12, 40]. Как нетрудно видеть, подавление щели в спектре возбуждений при возникновении вихрей приводит к появлению плотности состояний на уровне Ферми, соответствующей плотности состояний в нормальном металле. Действительно, если пренебречь дискретностью спектра СсЮМ, то легко найти, что плотность состояний (в расчете на единицу длины и проекцию спина) равна Щ = о) ~ £2(т/Д2), где т/Ь2- плотность состояний в нормальном металле, а

2- характерная площадь локализации вихревых состояний. Поскольку в однородном сверхпроводнике плотность состояний на уровне Ферми равна нулю, наличие в корах вихрей состояний СсЮМ проявляется в виде пиков локальной плотности состояний, наблюдаемых в местах расположения вихревых особенностей. Также особенности спектра возбуждений можно исследовать при измерениях теплового транспорта вдоль направления магнитного поля [39, 41, 42]. Поэтому представляются актуальными расчеты плотности электронных состояний и обобщение теоретического анализа теплового транспорта вдоль вихрей с учетом граничных эффектов.

Недавно в серии работ [43] был разработан метод диагностики вихревого состояния мезоскопических сверхпроводников с помощью измерения туннельного электрического кондактанса в разных точках образца: "Multiple-Small-Tunnel-Junction method". Этот метод позволяет определить магнитное поле входа вихря в образец, а также переход вихревая молекула- гигантский вихрь, ассоциируя переходы между различными вихревыми конфигурациями со скачкообразными изменениями проводимости (сопротивления) контактов. Заметим, что в отличии от СТМ методики, в данном случае измеряется кондактанс достаточно широкого туннельного контакта, причем направление протекания тока перпендикулярно внешнему магнитному полю и линиям вихрей. В работах [43] интерпретация экспериментов основывалась фактически па предположении, что чем ближе вихрь к контакту, тем больше будет плотность состояний, а следовательно и туннельный ток. Хотя такие рассуждения и позволяют качественно объяснить результаты экспериментов, представляется интересным провести теоретический анализ влияния вихрей Абрикосова па транспортные характеристики контактов нормальный металл/сверхпроводник (N/S). Заметим, что влияние вихрей Абрикосова на транспортные свойства туннельных сверхпроводящих контактов исследовались теоретически для различных ориентаций магнитного поля: как перпендикулярно плоскости контакта [44], так и параллельно [45]. При этом рассматривался случай "грязного" сверхпроводника, когда длина свободного пробега в сверхпроводнике мала по сравнению с длиной когерентности I -С и было показано, что наличие вихрей Абрикосова в области контакта приводит к подавлению критического тока в результате усреднения по неоднородному распределению фазы параметра порядка в берегах контакта. Одновременно подавление сверхпроводящей щели в корах вихрей приводит к увеличению квазичастичного вклада в ток [44]. В противоположном предельном случае, когда сверхпроводник является "чистым" (I £), необходимо разработать другой подход для расчета транспортных характеристик. Например, рассматривая задачу о кондактансе баллистического контакта N/S в магнитном поле, необходимо, по сути, обобщить теорию зарядового транспорта в баллистических контактах N/S, разработанную в работе Блондера, Типкхама и

Клапвайка [46] на случай, когда в области контакта присутствуют вихри Абрикосова. Основной физический эффект, который предполагается исследовать, состоит в том, что наличие подгцелевых квазичастичных состояний, локализованных на вихрях, должно приводить к резонансному увеличению туннельного кондак-танса контакта. Заметим, что аналогичный эффект имеет место в туннельных контактах с высокотемпературными сверхпроводниками (ВТСП), обладающими с1 - симметрией параметра порядка. В этом случае увеличение кондактанса происходит за счет резонансного туннелирования электронов из (К) в (Б) область через поверхностные андреевские состояния, локализованные на границе сверхпроводник/изолятор [47, 48, 49].

Наличие поверхностных андреевских состояний является одной из важных особенностей сверхпроводников с необычным типом спаривания (в частности, ВТСП). В результате появления связанных андреевских состояний электронная структура и транспортные свойства необычных сверхпроводников существенно изменяются вблизи границ, примесей и других центров нормального рассеяния квазичастиц [50, 52, 53, 54, 55]. Поверхностные состояния формируются в сверхпроводниках с анизотропной щелью А (к) в импульсном пространстве [4, 56], принимающей различные значения для падающих и отраженных квазичастиц, имеющих разные направления импульса. Известным примером необычных сверхпроводников являются ВТСП, например, соединения УВа2Си^От-х- Сверхпроводящее состояние в таких веществах описывается анизотропным параметром порядка [4, 56]:

Д(к) схк2х- Щ.

Рассеяние квазичастиц на границе сверхпроводника связывает квазичастичные волны с разными направлениями импульса к; и кг (см. Рис.2(а) для случая плоской поверхности). Таким образом, падающие и отраженные квазичастицы "видят" разные значения сверхпроводящей щели Д(к^ и Д(кг). Рассматривая движение квазичастиц вдоль "развернутой" траектории, где в точке отражения О имеется скачок щели (см. Рис.2(а) для случая плоской поверхности), нетрудно показать [48], что связанное андреевское состояние на уровне Ферми возникает, если Д(к;)Д(кг) < 0. Существенной особенностью поверхностных состояний в с1- сверхпроводниках является их бездна юре иошюеть, т.е. то, что положение уровней не зависит от величины проекции импульса квазичастиц на плоскость границы сверхпроводник/изолятор. В этом случае появление локализованных андрееских состоа)

Ь) О

Superconductor

K) 2

Рис. 2. (а) Ориентация кристаллических осей (х, у) в <1 - сверхпроводнике по отношению к границе с изолятором п схематичное изображение электронных и дырочных волн, формирующих связанное андреевское состояние. (Ь) Распределение щели вдоль развернутой траектории {в точке О происходит отражение от границы). Импульсы к!. кг соответствуют падающей и отраженной волне. Связанное состояние на уровне Ферми возникает при условии Д(к; )Д(кг) < 0. яний приводит к возникновению конечной плотности состояний на уровне Ферми. В СТМ экспериментах этот эффект объясняет наличие пика, дифференциального кондактанса при малых напряжениях, наблюдаемого в высокотемпературных куиратах с ¿-симметрией параметра порядка [57|.

Еще один тин необычной сверхпроводимости реализуется в соединении бг >иио,(. Волновая функция конденсата в Сверхпроводящей фазе Зг^НцО^ обладает нетривиальной спиновой и орбитальной структурой |58|. В общем случае, в соответствии с принципом запрета Паули, волновая функция кунеровскнх пар должна быть нечетной по отношению к перестановке частиц:

Ф(к) = -Ф'(-к), где Ф- матрица в спиновом пространстве, к- относительный импульс электронов в паре, Т- операция транспонирования спиновой матрицы. Здесь мы используем матричное обозначения для спиновой части двухчастичной волновой функции: быть четной функцией к, и поэтому может быть описана одной скалярной функцией д (к): где д(к) = д(—к). С другой стороны, триплетное спаривание (5 = 1) накладывает условие нечетности на орбитальную часть щели. Волнопая функция триплетного состояния является суперпозицией трех компонент с разными значениями проекции спина 5г = 0, ±1. В этом случае, удобно использовать параметризацию с помощью нечетной векторной функции с!(к) = —с!(—к): где о = {ох,ау,а2)~ вектор, состоящий из матриц Паули. Хорошо изученным примером триплетного спаривания являются сверхтекучие фазы 3Не [59]. В силу пространственной изотропии, различные фазы могут быть классифицированы по неприводимым представлениям группы трехмерных вращений. Другими словами, волновая функция куперовских пар может быть представлена в виде суперпозиции сферических гармоник У^т(к), соответствующих определенному значению полного момента импульса I и его проекции на ось г (в данном случае имеет место р-спаривание с / = 1): где тп — —1,0,1 и а = (x,y,z). Заметим, что некоторые из сверхтекучих фаз нарушают симметрию обращения времени. Например, А-фаза с определенной проекцией момента импульса тп = ±1 соответствует спиновому вектору d(k) = (кх ± iky,0,0). При обращении времени меняется знак проекции тп, что может быть скомпенсировано инверсией одной из осей и калибровочным преобразованием. В соответствии с установившейся терминологией, фазы, соответствующие определенной отличной от пуля проекции орбитального момента куперовских пар тп, на

В случае синглетного спаривания (полный спин пары 5 = 0), Ф(к) должна

Ф(к) = iayg( к),

Ф(к) = (id(к) • &Щ da (к) — ^Qjm^lmik), зывают киральными [60]. Киральные фазы могут реализовываться как в триплет-ном (S =1,1- нечетно), так и в синглетном случае (S = 0, I- четно). Совокупность экспериментальных данных указывает на то, что в сверхпроводнике Sr2RuO4 ку-перовские пары находятся в триплетном спиновом состоянии, а орбитальная часть волновой функции соответствует р- симметрии параметра порядка (/ = 1, т = ±1) [58]. Структура параметра порядка в этом случае аналогична киральной А- фазе сверхтекучего 3Не. Необходимо заметить, что в сверхпроводниках наличие кристаллической решетки не позволяет провести классификацию сверхпроводящих состояний по значениям углового момента I. Однако, часто подобную терминологию используют имея в виду схожие симметрийные свойства базисных функций неприводимого представления точечной кристаллической группы и сферических гармоник Y/m(k).

Таким образом, в киральном сверхпроводнике сверхпроводящая щель в общем случае имеет следующий вид: Д = Дое,х0р, где угол 9Р характеризует направление импульса квазичастиц, а значение киральпости х определяется проекцией орбитального момента куперовских пар на ось z. В сверхпроводниках с ненулевой киралыюстыо х Ф 0 фаза функции щели зависит от направления импульса электрона в плоскости ху: р = p(cos вр, sin вр). Такая нетривиальная структура щели в импульсном пространстве также приводит к появлению поверхностных состояний [50, 52, 53, 54, 55]. Однако, в отличие от d-сверхпроводников, где поверхностные состояния являются бездисперсионными, в данном случае их спектр состоит из набора аномальных веток, зависящих от квантового числа ку - проекции импульса на плоскость границы. Число веток равно |х| и каждая из них пересекает уровень Ферми при некотором значении к* [54, 60]. С появлением таких веток, так же как и в d- сверхпроводниках увеличивается плотность состояний на уровне Ферми, что наблюдается в экспериментах как пик дифференциального кондактанса [50].

Характерная длина локализации поверхностных состояний определяется длиной когерентности Поэтому естественно ожидать, что электронная структура мезоскопических сверхпроводников с необычной симметрией параметра порядка будет существенно зависеть от геометрии границы и размеров образца. Например, в случае d- симметрии влияние конечности образца на спектр и плотность состоякий было недавно исследовано в работе |61]. Очевидно, что в мезоскопическом ки-ральном сверхпроводнике электронная структура поверхностных состояний также будет отличаться от случая полуограничениого образца, который исследовался ранее во многих работах [50, 52, 55|. Также представляет интерес исследование алиикия магнитного поля на спектр поверхностных уровней. При этом, помимо аффекта допплеровского сдвига уровней энергии из-за мейсснеровских и вихревых токов [51, 52], необходимо учитывать также и гибридизацию поверхностных и вихревых уровней. Проще всего исследовать этот эффект в цилиндрической геометрии мезосконического сверхпроводника с вихрем Абрикосова в центре. В этом случае поверхностные и вихревые уровни энергии зависят от углового момента ц относительно оси сверхпроводящего цилиндра. В результате перекрытия волновых функций поверхностных фл и вихревых состояний гру будет происходить расщепление аномальных веток, соответствующих поверхностным и вихревым состояниям (см. Рис. 3). Трансформация спектра должна определяться значением завихренности г/, характеризующим ориентацию вихря (Д ~ е"?в), и значением киральности х (А ~ е1Х°р), от которого зависит число и наклон аномальных веток поверхностных состояний.

Рис. 3. (а) Квазичастичные состояния в мезоскопическом диске, локализованные вблизи вихря и на краю диска. (Ь) Гибридизация поверхностных и вихревых состояний в киральном мезоскопическом сверхпроводнике в местах пересечения аномальных веток спектра поверхностных и вихревых состояний.

Целью работы являлось:

1. Разработка аналитического метода расчета квазичастичного спектра в смеповерхноегь вихрь шанном состоянии сверхпроводников второго рода в области достаточно низких магнитных полей. Изучение трансформации спектра при формировании вихревого кластера, связанного межвихревым квазичастичным туннелированием.

2. Исследование электронной структуры смешанного состояния в мезоскопи-ческих сверхпроводниках с учетом влияния нормального рассеяния на границах образца на спектр андреевских уровней. Расчет спектра квазичастиц и анализ измеримых характеристик, таких, как тепловой кондактанс и плотность состояний.

3. Изучение зарядового транспорта в баллистических контактах N/S в магнитном поле. Вычисление кондактаиса контакта N/Sc учетом резонансного андреевского туннелирования электронов из нормального металла в сверхпроводник через состояния CdGM, локализованные в корах вихрей.

4. Исследование электронного спектра вихря в мезоскопическом сверхпроводящем диске с киральной симметрией параметра порядка. Расчет спектра с учетом гибридизации поверхностных квазичастичных состояний, локализованных на границе диска, и состояний, локализованных в коре вихря.

Научная новизна работы заключается в следующих оригинальных результатах, которые выносятся на защиту:

1. Рассчитаны квазичастичныс спектры и вычислен тепловой кондактанс вдоль магнитного поля для различных вихревых структур в мезоскопических сверхпроводниках. Исследован переход от квазичастичного спектра многоквантового вихря к спектру отдельных вихрей, происходящий при уменьшении внешнего магнитного поля. Предложен сценарий исчезновения аномальной ветки в квазичастичном спектре при выходе вихря через границу сверхпроводника. Показано, что тепловой кондактанс растёт при сближении вихрей, когда расстояние между вихрями становится меньше некоторого критического значения, составляющего несколько длин когерентности. Также показано, что нормальное рассеяние квазичастиц на границах мезоскопического образца приводит к существенной стимуляции теплового транспорта вдоль вихревых линий.

2. Показано, что рост концентрации вихрей Абрикосова в баллистическом контакте нормальный металл/изолятор/сверхпроводник приводит к значительному увеличению копдактанса с ростом магнитного поля. Такое поведение кондактанса вызвано резонансными переходами электронов из нормального контакта в квазичастичные состояния, локализованные на вихрях. При этом конверсия нормального тока в сверхпроводящий становится более эффективной, чем в отсутствие вихрей.

3. Исследовано влияние внешнего магнитного поля на квазичастичный спектр в мезоскопическом киральном сверхпроводнике. Рассмотрен случай цилиндрической геометрии образца. Найдено точное выражение для спектра поверхностных состояний, состоящего из набора аномальных веток, пересекающих уровень Ферми. Показано, что наличие в образце вихря Абрикосова приводит к существенной трансформации спектра вблизи пересечения аномальных веток спектра поверхностных и вихревых состояний. В зависимости от ориентации вихря, расщепление веток может приводить к возникновению мииищелей в спектре. Ширина минище-лей и положение соответствующих особенностей плотности состояний определяется величиной магнитного поля.

Структура диссертации такова:

В главе 1: в рамках теории Боголюбова- де Жена проанализирована низкоэнергетическая часть квазичастичного спектра смешанного состояния мезоскопи-ческого сверхпроводника. Рассмотрено влияние магнитного поля на аномальные ветки спектра, пересекающие уровень Ферми. IIa примере системы, состоящей из двух вихрей, изучена трансформация квазичастичного спектра при расщеплении многоквантового вихря на отдельные вихри, происходящая при уменьшении магнитного поля. Для случая, когда вихри расположены близко к поверхности сверхпроводника, исследовано влияние нормального отражения квазичастиц от границы образца (как плоской, так и конечной кривизны) на спектр и плотность состояний. Предложен сценарий исчезновения аномальной ветки в квазичастич-пом спектре при выходе вихря из сверхпроводника. Показано, что модификация вихревой структуры при изменении магнитного поля оказывает существенное влияние на тепловой кондактанс вдоль поля. В частности, при сближении вихрей в растущем магнитном поле происходит значительное увеличение теплового кон-дактанса.

Глава 2 посвящена исследованию проводимости баллистического N/S контакта в магнитном поле, порождающем вихри Абрикосова вблизи границы сверхпроводника с нормальным металлом. Магнитное поле направлено параллельно плоскости контакта. На основе квазиклассического приближения в теории Боголюбова - де Жена решена задача рассеяния плоской электронной волны на границе нормальный металл/изолятор/сверхпроводник с учетом туннелирования в низкол ежащие квазичастичные уровни, локализованные на вихрях Абрикосова. Показано, что при резонансе падающей волны с вихревыми состояниями вероятность андреевского отражения может быть существенно больше, чем в случае мейсснеровско-го состояния сверхпроводника. Это, в свою очередь, приводит к увеличению эффективности конверсии нормального тока в сверхток. Поскольку концентрация и расположение вихрей относительно границы сверхпроводника определяются магнитным полем, копдактанс контакта сильно увеличивается с ростом магнитного поля.

В главе 3 исследуется электронный спектр в мезоскопическом сверхпроводящем диске с киральной симметрией параметра порядка. Найдено точное выражение для спектра поверхностных состояний, локализованных на краю диска во внешнем магнитном поле. На основе метода сильной связи проанализирована трансформация спектра в образце с захваченным вихрем Абрикосова. Показано, что расщепление аномальных спектральных веток в результате гибридизации поверхностных и вихревых состояний приводит к образованию минищели в спектре возбуждений. Также показано, что минищель сохраняется даже в случае достаточно сильной неидеальности границы образца.

В заключении кратко сформулированы основные результаты работы. В приложении приведены некоторые детали расчетов. проекцию спина). Ранее поведение аномальных веток спектра в многоквантовом вихре исследовалось численно [66] и аналитически для определенной модели вихревого кора (с кусочно-постоянным профилем параметра порядка) [67]. Для вихрей с четной завихренностью все аномальные ветки пересекают уровень Ферми при конечном значении прицельного параметра Ь = —[г/к±: е(ц)~-(ц±Ъ)А0/(к±0, (1-1) где ] — 1.М/2, /¿м/2 ~ к±£. В случае нечетного значения завихренности появляется спектральная ветка, пересекающая уровень Ферми при Ь — 0.

С экспериментальной точки зрения, поведение аномальных веток может быть исследовано, например, с использованием СТМ или с помощью измерений теплового транспорта. Современные методы СТМ позволяют исследовать локальный профиль плотности состояний па уровне Ферми, который определяется как раз аномальными ветками спектра [67]. Что касается измерений характеристик теплового транспорта вдоль вихревых линий, то важным преимуществом этой методики является чувствительность к дисиерсии квазичастичного спектра как функции кг (проекции импульса на направление вихревых линий). В частности, малая величина групповой скорости квазичастичных мод (Уд = де/дкх), распространяющихся вдоль оси вихря [39, 42] является причиной существенного подавления теплового кондактанса ку ~ Т2кр^/(НА0) по сравнению с шарвиновским значением Кзи ~ Т(кр£)2/}1, характеризующим тепловой транспорт в нормальном канале с поперечными размерами порядка длины когерентности £ при некотором значении температуры Т: к. V

1 т

Гч-» л < 1 • (1-2)

Кзн кр£ До

В рамках подхода Лапдауэра [68], подобное подавление эффективности теплового транспорта может быть интерпретировано как следствие сильного уменьшения эффективного числа проводящих мод ЛГ„ = ку/ко, где ко = 7гТ/(ЗЙ)- квант теплового кондактанса, приходящийся на одну проводящую моду [69]. Заметим, что квантование теплопроводности, связанное с изменением числа проводящих мод в канале, является экспериментально подтвержденным фактом [70], наряду с хорошо известным эффектом квантования проводимости [68]. С учетом того, что минимальное расстояние между квазичастичными уровнями в коре вихря есть ш0 яз А0/(кр£) при кг — 0, легко получить оценку Л^ ~ Т/ш0, которая согласуется с формулой (1.2). Как мы видим, число проводящих мод определяется характеристиками квазичастичного спектра, и таким образом должно определяться эффектами как нормального рассеяния квазичастиц на границах образца, так и интерференции состояний, локализованных в корах близко расположенных вихрей. В частности, когда одноквантовый вихрь расположен в центре сверхпроводящего цилиндра, рассеяние на границах образца приводит к существенному увеличению теплового кондактанса [39]. В общем случае произвольной вихревой конфигурации тепловой кондактанс мезоскопического сверхпроводника должен зависеть от общего числа и относительного расположения вихрей в образце.

2. Метод

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Развита теория электронной структуры смешанного состояния мезоскопи-ческих сверхпроводников. В рамках теории Боголюбова - де Жена проанализирована низкоэнергетическая часть квазичастичного спектра смешанного состояния мезоскопического сверхпроводника. Рассмотрено влияние магнитного поля на аномальные ветки спектра, пересекающие уровень Ферми. На примере системы, состоящей из двух вихрей, мы изучили трансформацию квазичастичного спектра при расщеплении многоквантового вихря на отдельные вихри. Для случая, когда вихри расположены близко к поверхности сверхпроводника, изучено влияние нормального отражения квазичастиц от границы образца на спектр и плотность состояний. Показано, что модификация вихревой структуры при изменении магнитного поля оказывает существенное влияние на тепловой кондактанс вдоль магнитного поля. В частности, при сближении вихрей в растущем магнитном поле происходит увеличение теплового кондактанса.

2. Изучены особенности подщелевого электронного транспорта в контакте нормальный металл/сверхпроводник в направлении поперек магнитного поля. Было найдено сильное увеличение кондактанса в связи с резонансным туннелированием падающих электронов в сверхпроводник через состояния, локализованные на вихрях, расположенных вблизи плоскости контакта. Этот эффект наиболее заметен в случае если нерезонансное андреевское отражение подавлено из-за сильного нормального рассеяния квазичастиц на границе нормальный металл/сверхпроводник. Вихревой вклад в кондактанс, который мы исследовали, определяется концентрацией вихрей в области контакта, и, таким образом, может эффективно управляться внешним магнитным полем. На основе наших расчетов можно предложить интерпретацию экспериментов [43]. Очевидно, что поскольку вихревой вклад в кондактанс пропорционален числу вихрей, полный кондактанс туннельных контактов должен испытывать скачки при изменении числа вихрей в мезоскопическом сверхпроводнике.

3. Исследовано поведение аномальных веток спектра в мезоскопическом ки-ральном сверхпроводнике в магнитном поле и найдена зависимость плотности состояний на уровне Ферми от направления и величины приложенного магнитного поля. Проанализирована электронная структура вихря в мезоскопическом сверхпроводящем цилиндре с киралыюй симметрией параметра порядка р - типа. Показано, что при радиусах цилиндра меньших критического происходит гибридизация поверхностных квазичастичпых состояний, локализованных на границе цилиндра и состояний, локализованных в коре вихря. Результат соответствующей перестройки квазичастичного спектра зависит от направления внешнего магнитного поля, определяющего знак завихренности. В случае если, завихренность и киральность сверхпроводника имеют разные знаки, появление вихря приводит к образованию минищели в спектре квазичастиц и подавлению плотности состояний па уровне Ферми. В случае, если завихренность и киральность имеют одинаковые знаки, минищель в спектре не возникает и плотность состояний на уровне Ферми увеличивается.

Полученные результаты позволяют предложить способ определения кирально-сти сверхпроводников на основе хорошо разработанных методов туннельной спектроскопии. Например, в области слабых магнитных полей, когда сверхпроводник находится в мейсснеровском состоянии, плотность состояний на уровне Ферми зависит не только от величины, но также и от направления поля. В зависимости от знака киралыюсти, магнитное поле, направленное вдоль оси г, может приводить к увеличению пли подавлению плотности состояний. В сильных нолях (когда в сверхпроводящий образец входит вихрь Абрикосова) в плотности состояний появляются особенности ван Хова, связанные с образованием минищелей в местах пересечения спектральных веток. Подобные особенности можно наблюдать экспериментально как пики дифференциального кондактанса.

Заключение.

1. Шмидт D.B. Введение в физику сверхпроводников, Москва: МЦНМО, 2000.2 3 [46 7 [8910 Н [121314 15

2. Абрикосов A.A., ЖЭТФ, 32, 1442, 1957.

3. J. Bardeen, L.N. Cooper and J. R. Schrieffer, Phys. Rev. 108, 1175 (1957).

4. Минеев В.П., Самохин K.B. Введение в теорию необычной сверхпроводимости, Москва: издательство МФТИ, 1998.

5. С. Caroli, Р. G. de Gennes, J. Matricon, Phys. Lett. 9, 307 (1964).

6. R.G. Mints and A.L. Rachmanov, Solid St. Cominun. 16, 747, (1975).

7. F. Gygi and M. Schlüter, Phys. Rev. В 43, 7609 (1991).

8. N. В. Kopnin, Theory of nonequilibrium superconductivity (Cambridge University Press, 2001).

9. J. Bardeen, R. Kummel, A. E. Jacobs and L. Tewordt, Phys. Rev. 187, 556 (1969).

10. E. Canel, Phys. Lett. 16, 101 (1965).

11. M. Ichioka, N. Hayashi, and K. Machida, Phys. Rev. В 55, 6565 (1996);

12. H. F. Hess, R. B.Robinson, and J. V. Waszczak, Phys. Rev. Lett. 64, 2711 (1990);

13. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц, Статистическая физика: Часть 2, Москва: Наука, 1978.

14. Т. Maniv et al., Rev. Mod. Phys. 73, 867 (2001). T. Terashima et al., Phys. Rev. В 56, 5120 (1997)

15. S. Behler et al., Phys. Rev. Lett. 72, 1750 (1993)

16. B. J. Baelus and F. M. Peeters, Phys. Rev. B 65, 104515 (2002)

17. H. J. Fink and A. G. Presson, Phys. Rev. 151, 219 (1966)

18. H. J. Fink and A. G. Presson, Phys. Rev. 168, 399 (1968)

19. A. K. Geim, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, K. S. Novoselov, F. M. Peeters, V. A. Schweigert, Nature 390, 259 (1997)

20. P. Singh a Deo, V. A. Schweigert, F. M. Peeters, A. K. Geim, Phys. Rev. Lett. 79, 4653 (1997)

21. V. A. Schweigert and F. M. Peeters, Phys. Rev. B 57, 13817 (1998)

22. V. A. Schweigert, F. M. Peeters, and P. Singha Deo, Phys. Rev. Lett. 81, 2783 (1998)

23. A. K. Geim, S. V. Dubonos, J. J. Palacios, I. V. Grigorieva, M. Henini, ,T. J. Scheriner, Phys. Rev. Lett. 85, 1528 (2000)

24. S. V. Yampolskii and F. M. Peeters, Phys. Rev. B 62, 9663 (2000)

25. V. Hakim, A. Lemaitre, and K. Mallick, Phys. Rev. B 64, 134512 (2001)

26. C. P. Bean and J. D. Levingston, Phys. Rev. Lett. 12, 14 (1964).

27. A. K. Geim, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, K. S. Novoselov, F. M. Peeters, V. A. Schweigert, Nature 407, 55 (2000)

28. J. J. Palacios, F. M. Peeters, and B. J. Baelus, Phys. Rev. B 64, 134514 (2001)

29. D. S. McLachlan, Phys. Rev. Lett. 23, 1434 (1969)

30. J. J. Palacios, Phys. Rev. B, 58, 5948 (1998)

31. J. J. Palacios, Phys. Rev. Lett. 84, 1796 (2000)

32. E. Akkermans, D. M. Gangardt, and К. Mallick, Phys. Rev. В 63, 064523 (2001)

33. G. F. Zharkov, Phys. Rev. В 63, P. 214502 (2001)

34. A. I. Larkin and Yu. N. Ovchinnikov, Phys. Rev. В 57, 5457 (1998).

35. S. Graser, C. Iniotakis, T. Dahm, N. Schopohl, Phys. Rev. Lett. 93, 247001 (2004).

36. N. B. Kopnin, A. S. Mel'nikov, V. I. Pozdnyakova, D. A. Ryzhov, I. A. Shcreshevskii, and V. M. Vinokur, Phys. Rev. Lett. 95, 197002 (2005).

37. N. B. Kopnin, A. S. Mel'nikov, V. I. Pozdnyakova, D. A. Ryzhov, I. A. Shcreshevskii, and V. M. Vinokur, Phys. Rev. В 75, 024514 (2007).

38. H. F. Hess, R. B. Robinson, R. C. Dynes, J. M. Valles, Jr., and J. V. Waszczak, Phys. Rev. Lett. 62, 214 (1989); A. Kohen, Th. Proslier, T. Cren, Y. Noat, W. Sacks, H. Berger, and D. Roditchev, Phys. Rev. Lett. 97, 027001 (2006).

39. J. Lowell and J. B. Sousa, J. Low Temp. Phys. 3, 65 (1970); W. F. Vinen,

40. E. M. Forgan, С. E. Gough, and M. J. Hood, Physica (Amsterdam) 55, 94 (1971);

41. N. B. Kopnin, A. S. Mel'nikov and V. M. Vinokur, Phys. Rev. В 68, 054528 (2003);

42. F. M. Peeters, Phys. Rev. В 73, 024514 (2006).

43. A.A. Golubov and M. Yu. Kupriyanov, Fiz. Nizk. Temp. 12, 373 (1986);

44. M.B. Фистуль, Письма в ЖЭТФ, 52, 823, (1990); М.В. Фистуль, Письма в ЖЭТФ, 49, 95, (1989); М.В. Фистуль, Письма в ЖЭТФ, 57, 468, (1993);

45. G. E. Blonder, M. Tinkham and Т. M. Klapwijk, Phys. Rev. В 25, 4515 (1982).

46. С. R. Hu, Phys. Rev. Lett. 72, 1526 (1994).

47. J. Yang, C. R. Hu, Phys. Rev. В 50, 16766.

48. Y. Tanaka, S. Kashiwaya, Phys. Rev. Lett. 74, 3451 (1995); S. Kashiwaya, Y. Tanaka, M. Koyanagi, H. Takashima and K. Kajimura, Phys. Rev. В 51, 1350 (1995).

49. F. Laube, G. Göll, H. V. Lohneysen, М. Fogelstrom, and F. Lichtenberg, Phys. Rev. Lett. 84, 1595 (2000); Z.Q. Mao, K.D. Nelson, R. Jin, Y. Liu, and Y. Maeno, Phys. Rev. Lett. 87, 037003 (2001).

50. S. Graser, C. Iniotakis, T. Dahm and N. Schopohl, Phys. Rev. Lett., 93, 247001 (2004);

51. Т. Yokoyama, С. Iniotakis, Y. Tanaka, and M. Sigrist, cond-mat:0710.4204vl (2007);

52. G. E. Volovik, JETP Lett., 66, 522 (1997);

53. M. Stone and R. Roy, Phys. Rev. В 69, 184511 (2004);

54. Yu. S. Barash, А. M. Bobkov, and M. Fogelstrom, Phys. Rev. В 14, 214503 (2001);

55. A.P. Mackenzie, Y. Maeno, Rev. Mod. Phys. 75, 657 (2003);

56. G. Deutscher, Rev. Mod. Phys., 77, 109 (2005);

57. A. P. Mackenzie and Y. Maeno, Rev. Mod. Phys. 75, 657 (2003);

58. A. Leggett, Rev. Mod. Phys. 47, 331 (1975); Л.С. Wheatly, Rev. Mod. Phys. 47, 415 (1975); В.П. Минеев, Усп. Физ. Наук 139, 303 (1983);

59. G. Е. Volovik, JETP Lett., 70, 609 (1999);

60. Ya. V. Fominov and A. A. Golubov, Phys. Rev. В 70, 212513 (2004);

61. A. S. Melnikov, M. A. Silaev, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 83, 675 (2006) JETP Lett. 83, 578 (2006)].

62. G. E. Volovik, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 57, 233 (1993) JETP Lett. 57, 244 (1993)].

63. А.С.Мельников, В.И.Позднякова, Д.А.Рыжов, И.А.Шерешевский, На-нофизика и наноэлектроника, Нижний Новгород, сборник тезисов докладов.-2006.-С.159

64. A.S. Mel'nikov, D.A. Ryzhov, М.А. Silaev, cond-mat:0804.0685.

65. A. S. Mel'nikov and V. M. Vinokur, Nature, 415, 60 (2002); Phys. Rev. В 65, 224514 (2002).

66. S. Datta, Electronic Transport in Mesoscopic Systems (Cambridge University Press, 1995).

67. L. G. C. Rego and G. Kirczenow, Phys. Rev. В 59, 13080 (1999).

68. H. van Houteii. L. W. Molenkamp, C. W. J. Beenakker, and С. T. Foxon, Semicond. Sci. Technol. 7, B215 (1992); Chiatti, J. T. Nicholls, Y. Y. Proskuryakov, N. Lumpkin, I. Farrer, and D. A. Ritchie, Phys. Rev. Lett. 97, 056601 (2006).

69. G.E. Volovik, Localized fermions on quantized vortices in super uid 3Hc-B, J. Phys.: Condons. Matter 3, 357 (1991).

70. L. D. Landau, E. M. Lifshitz "Quantum mechanics. Non-relativistic theory", Pergamon Press, 1991.

71. N. B. Kopnin and G. E. Volovik, Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 64, 641 (1996) JETP Lett. 64, 690 (1996)]; N. B. Kopnin, Phys. Rev. В 57, 11775 (1998).

72. E. O. Kane and E. I. Blount, in Tunneling Phenomena in Solids, Eds. E. Burstein and S. Lundqvist, New York, Plenum Press, 1969.

73. А.И. Ахиезер, В.Б. Берестецкий Квантовая электродинамика, Москва: Наука, 1981.

74. Е. Т. Whittaker and G. N. Watson, Modern Analysis (Cambridge University Press, 1947), Chap. 16.

75. А.Ф. Андреев, ЖЭТФ 46, 1823 (1964); 49, 655 (1965).

76. M. Tinkham, Introduction to Superconductivity (McGraw-Hill, New York, 1996), 2nd ed., Chap. 10.

77. A. Anthore, H. Pothier, and D. Esteve, Phys. Rev. Lett. 90, 127001 (2003).

78. B. Ricco and M. Ya.Azbel, Phys. Rev. В 29, 1970 (1984)

79. N. В. Kopnin, A. S. Melnikov and V. M. Vinokur, Phys. Rev. В 71, 052505 (2005);

80. P. Pincus, Phys. Rev. 158, 346 (1967);

81. J. R. Clem, J. Low Temp. Phys. 18, 427 (1975)

82. G. D. Mahan, Many-particle physics (Plenum Press, New York, 1993), 2nd ed., Chap. 9.

83. S. Graser, C. Iniotakis, T. Dahm and N. Schopohl, Phys. Rev. Lett. 93, 247001 (2004);

84. N. Schopohl and K. Maki, Phys. Rev. В 52, 490 (1995);

85. P. Miranovic, M. Ichioka and K. Machida, Phys. Rev. В 70, 104510 (2004);

86. C.W.J. Beenakker, Rev. Mod. Phys 69, 731 (1997);

87. B. ,J. van Wees, P. de Vries, P. Magnee, and Т. M. Klapwijk, Phys. Rev. Lett. 69, 510 (1992);

88. A. Kastalsky, A. W. Kleinsasser, L. H. Greene, R. Bhat, F. P. Milliken, and J. P. Harbison, Phys. Rev. Lett. 67, 3026 (1991)

89. A. I. Buzdin, J. P. Brison, Phys. Lett. A 196, 267 (1994).