Исследование эффекта близости и джозефсоновских свойств в системах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Введение

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Эффект Джозефсона . . . '

1.2. Эффект близости в системах сверхпроводник-ферромагнетик

1.3. Теоретические и экспериментальные исследования поведения наведенного параметра порядка в ферромагнетике

1.4. Различные типы джозефсоновских я-контактов

1.5. Возможные практические применения тс-контактов

Глава 2. Приготовление образцов и методики эксперимента 37 •

2.1. Приготовление SFS-сэндвичей

2.2. Пиковольтметр на основе СКВИДа и другое экспериментальное оборудование

Глава 3. Исследование джозефсоновских SFS-контактов

3.1. Исследование ферромагнитных пленок из Cu/Ni-сплава

3.2. Джозефсоновские характеристики SFS-сэндвичей

3.3. Влияние захваченных абрикосовских вихрей и остаточной намагниченности ферромагнитного слоя на джозефсоновские характеристики SFS-сэндвичей

Глава 4. Обнаружение немонотонной зависимости критического тока SFS-контактов от температуры

4.1. Введение.

4.2. Экспериментальное наблюдение возвратной температурной зависимости критического тока SFS-сэндвичей

4.3. Теоретический подход

Глава 5. Треугольные сетки SFS-контактов. Непосредственное наблюдение тг-сдвига.

5.1. Введение

5.2. Экспериментальное наблюдение сдвига интерференционной картины для треугольной сетки SFS-контактов

С момента открытия в 1964 году [1] эффект Джозефсона и сверхпроводящие структуры, в которых он наблюдается, постоянно привлекают к себе большое внимание физиков. Интерес к этой теме обусловлен, прежде всего, разнообразием красивых и нетривиальных эффектов, наблюдаемых в джозефсоновских структурах. Изучение особенностей поведения джозефсоновских переходов позволяет лучше понять природу и механизмы явлений сверхпроводимости и сверхтекучести, которые, хотя и исследуются уже практически на протяжении столетия, продолжают дарить исследователям новые неожиданные открытия. Системы с джозефсонов-скими контактами начинают активно применяться и в сверхпроводящей электронике, которая в некоторых областях уже способна составить достойную конкуренцию своей полупроводниковой предшественнице. На- . пример, джозефсоновские контакты благодаря своим уникальным высокочастотным свойствам могут занять пустующую нишу в частотном диапазоне близком к терагерцу. В этом диапазоне в настоящее время практически отсутствуют искусственные источники и приемники излучения. Заполнение этого частотного "окна" послужит толчком для нового витка развития электроники, в частности, так востребованного сегодня телекоммуникационного оборудования. Уже создан и успешно протестирован лабораторный приемник излучения на частоте 500 гигагерц [2, 3], основанный на принципе гетеродинного смешивания с использованием внутренних джозефсоновских осциллятора и смесителя, способный принимать сигналы очень малой мощности 10~13Вт). Другое активно развиваемое прикладное "джозефсоновское" направление - это, так называемая, RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum Logic), в которой информация передается и хранится в виде флаксонов, квантов магнитного потока в джозефсоновских структурах. В случае успеха такая технология может стать альтернативой современной полупроводниковой компьютерной технике, развитие которой, как ожидается, в ближайшие десятилетия затормозится. Наконец, в последнее время также широко обсуждается проблема создания принципиально нового, квантового, компьютера, который будет производить вычисления путем эволюции двухуровневой квантовой системы. Такие двухуровневые системы называют квантовыми битами или кубитами, по аналогии с битами, которые используются в современной цифровой логике. Именно структуры с джозефсоновски-ми контактами являются одним из основных кандидатов на реализацию базового элемента для таких компьютеров. В частности, один из возможный вариантов сверхпроводящего кубита [4], требует использования 7Г-контакта (джозефсоновского контакта со спонтанной разностью фаз 7г между сверхпроводящими обкладками), получению которого и посвящена представленная работа.

До последнего времени слабая (джозефсоновская) связь через ферромагнетик не была надежно реализована экспериментально. Основная причина — антагонизм сверхпроводника и ферромагнетика в смысле спинового упорядочения, следствием которого является быстрое затухание наведенной сверхпроводимости в ферромагнетике. Куперовская пара, попавшая в ферромагнетик должна очень быстро разрушиться, т.к. обменное поле старается выстроить параллельно спины электронов, образующих пару. Вместе с тем, джозефсоновские контакты сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник должны проявлять удивительные свойства [5, б, 7], связанные с необычным типом сверхпроводящего спаривания в ферромагнетике, которое впервые было предсказано для ферромагнитных сверхпроводников в 1964 году независимо Ларкиным и Овчинниковым [8] и Фулде и Феррелом [9] (LOFF-состояние).

В ферромагнитном сверхпроводнике (или в ферромагнетике с наведенной сверхпроводимостью вблизи SF-границы) куперовская пара в основном состоянии имеет ненулевой суммарный импульс, что приводит к пространственным осцилляциям сверхпроводящей волновой функции (параметра порядка). В джозефсоновском SFS-переходе вследствие таких осцилляций параметр порядка при определенных условиях может изменить свой знак на противоположный при переходе от одного сверхпроводящего берега к другому, т.е. его фаза изменится в точности на 7Г. Это и будет джозефсоновский 7г-контакт со спонтанной разностью фаз 7Г. Если такой контакт замкнуть сверхпроводящим кольцом, то в контуре потечет сверхток, создающий дополнительную разность фаз 7г (поскольку для однозначности фазы необходимо, чтобы при обходе сверхпроводящего контура полный набег фазы был кратен 2тт). При этом сверхпроводящее кольцо будет нести в себе половину кванта магнитного потока. Именно это свойство джозефсоновских 7г-контактов и делает их чрезвычайно привлекательными при создании квантового бита [4],, т.к. их присутствие в сверхпроводящих контурах создает вырождение относительно направления спонтанных токов, возникающих в контуре, что приводит к появлению двухямного потенциала с вырожденными энергетическими уровнями.

Целью данной работы явилось экспериментальное исследование эффекта близости и джозефсоновских свойств в структурах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник; выявление особенностей поведения джозефсоновских сэндвичей в случае, когда джозефсо-новская прослойка является ферромагнетиком; обнаружение перехода в 7г-состояние в одиночных SFS-контактах и треугольных сетках, образованных такими контактами.

Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие результаты, выносимые на защиту:

• Приготовлены и исследованы тонкопленочные сэндвичи типа сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (Nb-Cui-^Nia;-Nb).

• Экспериментально подтверждена возможность связи двух сверхпроводников через ферромагнетик (джозефсоновской связи) в структурах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник. Обнаружены сверхтоки в таких структурах и получены классические фраунгофе-ровы зависимости критического тока от внешнего магнитного поля.

• Обнаружена аномальная возвратная температурная зависимость критического тока джозефсоновских SFS-контактов, которая связана "с переходом контакта в 7г-состояние. Исследовано непосредствен- . ное влияние температуры на изменение длины когерентности в SFS-переходах в случае слабого ферромагнетика.

• Переход в 7г-состояние продемонстрирован непосредственно как сдвиг на половину кванта магнитного потока зависимости максимального транспортного сверхпроводящего тока треугольных сеток джозефсоновских SFS-контактов от внешнего магнитного потока. Показано, что сдвиг происходит скачком при температуре соответствующей переходу в тг-состояние SFS-контактов, входящих в сетку.

Практическая ценность работы определяется, в первую очередь, возможными применениями полученных результатов в активно развивающейся в настоящее время джозефсоновскрй электронике. 7г-контакты на основе SFS-переходов могут легко и воспроизводимо изготавливаться стандартными и доступными методами тонкопленочной микроэлектроники и могут быть востребованы как в пока еще гипотетической, области квантовой логики для создания квантового бита, так и в будущей сверхпроводящей цифровой электронике в качестве инвертора сверхпроводящей фазы. Важным с практической точки зрения свойством SFS-структур является продемонстрированная в диссертационной работе возможность управления переходом из 0- в 7г-состояние и обратно путем изменения температуры.

Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Списка цитируемой литературы. Глава 1 является обзором литературы, посвященной свойствам джозефсоновских контактов, теоретических работ по возможному сосуществованию сверхпроводимости и ферромагнетизма, а также обзору работ по исследованию эффекта близости в системах сверхпроводник-ферромагнетик. Глава 2 содержит описание экспериментальных методик и технологии приготовления образцов. В Главе 3 приведены результаты исследования джозефсоновских свойств переходов сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник. Глава 4 по- . священа исследованию аномальной возвратной температурной зависимости критического тока в отдельных джозефсоновских сэндвичах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник, связанной с переходом в 7г-состояние. В Главе 5 рассматривается поведение треугольных сеток джозефсоновских контактов сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник и непосредственно демонстрируется фазовый тг-сдвиг при переходе контактов в 7г-состояние. В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

• Приготовлены и исследованы тонкопленочные сэндвичи типа сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (Nb-Cui-^Nia;-Nb).

• Экспериментально подтверждена возможность джозефсоновской связи двух сверхпроводников через ферромагнетик в SFS-структурах. Обнаружены сверхтоки в таких структурах и получены классические фраунгоферовы зависимости критического тока от внешнего магнитного поля.

• Обнаружена аномальная возвратная зависимость критического тока джозефсоновских SFS-контактов от температуры, которая связана с переходом контакта в 7г-состояние. Выявлено непосредственное влияние температуры на изменение длины когерентности в SFS-переходах в случае слабого ферромагнетика.

• Переход в 7г-состояние был продемонстрирован непосредственно как сдвиг на половину кванта магнитного потока зависимости максимального транспортного сверхпроводящего тока треугольных сеток джозефсоновских SFS-контактов от магнитного потока. Показано, что сдвиг происходит скачком при температуре, соответствующей переходу в 7г-состояние SFS-контактов, входящих в сетку.

Приведенные в диссертации экспериментальные результаты были получены впервые, хотя некоторые из обнаруженных эффектов были еще давно предсказаны теоретически. Полученные в работе экспериментальные подтверждения этих эффектов могут привести к новому витку развития "джозефсоновского" направления современной физики и сверхпроводящей электроники. Например, демонстрация самофрустри-рованного состояния в сверхпроводящих сетках с джозефсоновскими контактами дает реальную возможность приготовить квантовый бит (кубит) без использования внешнего фрустрирующего магнитного поля.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

• A.V. Veretennikov, V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.Yu. Rusanov, V.A. Larkin, and J. Aarts. Supercurrents through the superconductor-ferromagnet-superconductor (SFS) junctions. Physica В 284-288 495 (2000).

• V.V. Ryazanov, A.V. Veretennikov, V.A. Oboznov, A.Yu. Rusanov, V.A. Larkin, A.A. Golubov, and J. Aarts. Reentrant superconducting behavior of the Josephson SFS junctions. Physica С 341-348 1613 (2000).

• V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.Yu. Rusanov, A.V. Veretennikov, A.A. Golubov, and J. Aarts. Coupling of two superconductors through a ferromagnet: evidence of a pi-junction. Phys. Rev. Lett. 86 2427 (2001).

• V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.V. Veretennikov, A.Yu. Rusanov, A.A. Golubov, and J. Aarts Coupling of two superconductors through a ferromagnet. SFS pi-junctions and intrinsically frustrated superconducting networks. Usp. Fiz. Nauk (Suppl.) 171 (10) 81 (2001).

В заключение мне хотелось бы выразить искреннюю благодарность В.В. Рязанову за руководство моей работой, постоянное внимание и всестороннюю поддержку. Я очень признателен В.А. Обознову — его талант технолога, чутье и эрудиция в значительной степени определили успех проделанной работы. Я также признателен Н.А. Степакову за активное участие в работе и постоянную готовность прийти на помощь. Хочу поблагодарить весь нынешний коллектив Лаборатории сверхпроводимости а также многих ее бывших сотрудников за поддержку и доброжелательность. Отдельно хочу выразить признательность своей семье и особенно жене Ане, которая с пониманием относилась к моей работе и почти не ругалась, когда я поздними вечерами и в выходные дни пропадал в лаборатории.

Заключение

1. Josephson B.D. Phys. Rev. 1(7) 251 (1962).

2. Koshelets V.P., Shitov S.V., Filippenko L.V., Baryshev A.M., Golstein H., de Graauw Т., Luinge W., Schaeffer H., and van der Stadt H. Appl. Phys. Lett. 68 1273 (1996).

3. Shitov S.V., Levitchev M., Veretennikov A.V., Koshelets V.P., Prokopenko G.V., Filippenko L.V., Ermakov A.B., Shtanyuk A.M., Kohlstedt H., and Ustinov A.V. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 11 832 (2001).

4. Blatter G., Geshkenbein V.B., and Ioffe L.B. Phys. Rev. В 63 174511 (2001).

5. Буздин А. И., Булаевский JI. H., Панюков С. В. Письма в ЖЭТФ ' 35 147 (1982).

6. Буздин А.И., Вуйчич В., Куприянов М.Ю. ЖЭТФ 101 231 (1992).

7. Radovic' Z., Ledvij М., Dobrosavljevic'-Grujic' L., Buzdin A.I., and Clem J.R. Phys. Rev. В 44 759 (1991).

8. Ларкин А.И., Овчинников Ю.Н. ЖЭТФ 47 1136 (1964).

9. Fulde P. and Ferrel R.A. Phys. Rev. A 135 550 (1964).

10. Бардин Дж., Купер Л., Шриффер Дж. В сб.: Теория сверхпроводимости. Под. ред. Боголюбова Н.Н. М.: ИЛ, 1960, с. 103.

11. И. Гинзбург В.Л., Ландау Л.Д. ЖЭТФ 20 1046 (1950).

12. Likharev К.К. Rev. Mod. Phys. 51(1) 101 (1979).

13. Anderson J.R. and Rowell J.M. Phys. Rev. Lett. 10 230 (1963).14