Исследование магнитных свойств и размерных переходов в слоистых сверхпроводящих структурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

на правах рукописи КРАСНОВ Владимир ГЛн^айлоиич

УДК 537.312.62

ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ И РАЗМЕРНЫХ ПЕРЕХОДОВ В СЛОИСТЫХ СВЕРХПРОВОДЯЩИХ СТРУКТУРАХ

Специальность 01.04.07 Физика Твердого Тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1995

Работа выполнена в Институте физики твёрдого тела РАН.

Научный руководитель-

кандидат физ.-мат. наук В.В.Рязанов.

*

Официальные оппоненты-доктор физико-математических наук М.В.Фейгельман, доктор физико-математических наук В.Т.Петрашов.

Ведущее предприятие-Институт радиотехники и электроники РАН, г. Москва.

Защита состоится 1995 г. в ш. час.

на заседании Специализированного совета Д 003.12.01 при Институте физики твердого тела РАН по адресу: 142432, Московская обл., Ногинский район, п. Черноголовка, ИФТТ

РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела РАН.

Автореферат разослан". ШЩШ1995 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физико-математических наук

В.Д.Кулаковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ_______

Актуальность темы: Исследование свойств слоистых сверхпроводников (СП) и сверхрешеток (СР) представляет большой интерес в связи с перспективами использования в криоэлектронике, наличием оригинальных физических свойств, а также в связи с открытием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в слоистых соединениях. Многочисленные экспериментальные данные показывают, что слоистая структура сильно влияет на свойства ВТСП. Кроме ВТСП к классу слоистых сверхпроводящих соединений можно отнести ряд органических СП, например, таких как k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 , а также некоторые i-лолинения переходных металлов, такие как NbSe2, TaSz и, особенно, их ;:ьт?г^."!«ллвяниь1н «^.»¡с::;™. ~ вторых анизотропия магнитных свойств может быть порядю» 1йг. à ~""""Т"1ПМа сопротивлений 104 5. Чередование сверхпроводящих и несвсрхпроводя-щих (или слаб о сверхпроводящих) слоев приводит к модуляции СП параметра порядка. При этом, если связь между слоями достаточно слабая, то даже идеальные монокристаллы можно представить как стопку СП слоев, связанных джозефсоновской связью. "Внутренний" эффект Джозефсона между отдельными СП слоями недавно был обнаружен в сильно анизотропных монокристаллах ВТСП В/'гЗггСаСигОз, Т1гВа2Сз2СизО,о и органического СП k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2 [1].

Важное значение имеет природа прослоек между СП слоями в ВТСП: являются ли они проводящими или нет? Другими словами, является ли ВТСП структурой типа Сверхпроводник-Изолятор-Сверхпроводник (SIS) или Сверхпроводник-Нормальный металл-Сверхпроводник (SNS). На этот вопрос сейчас нет определенного ответа. Несмотря на то, что SNS и SIS структуры имеют сходные фундаментальные джозефсоновские свойства, SNS структуры обладают целым спектром специфических свойств, обусловленных "эффектом близости", т.е. наведением СП параметра порядка в нормальных слоях. За счет этого связь между слоями в SNS, как правило, сильнее, чем в SIS СР.

Важную информацию о структуре вихря, вихревой решетки и других фундаментальных свойствах СП несут магнитные исследования. Одним из необычных свойств ВТСП является положительная кривизна зависимости ffjT), наблюдавшаяся для ряда ВТСП [2]. До последнего времени было не ясно, является ли это внутренним свойством ВТСП или вызвано неточностью методов определения. Для корректного извлечения критических параметров ВТСП из кривых намагничивания необходима модель критического состояния, учитывающая особенности ВТСП.

Трудности в осмыслении данных по ВТСП делают актуальным исследование модельных слоистых СП, таких как искусственно приготовленные сверхрешетки. Вместе с тем, изучение искусственно приготовленных СР имеет самостоятельную общефизическую ценность. Удобство этих объектов для исследования определяется, в первую очередь, возможностью варьирования их параметров, в процессе изготовления. Кроме того, они являются многообещающими объектами для различных применений в джозефсоновской микроэлектронике, перспективы которой трудно переоценить.

Для исследования эффекта Джозефсона и связей между слоями в СП СР, необходимы эксперименты, при которых измерения ведутся поперек слоев. В настоящее время подобных экспериментов мало. Основная проблема здесь связана с изготовлением образцов для таких

измерений, состоящих из большого количества идентичных слоев и, жесткими условиями на размеры образцов.

Целью работы было теоретическое и экспериментальное исследование вихревой структуры и стационарных магнитных свойств ВТСП и модельных SNS сверхрешеток; исследование размерных переходов в SNS сверхрешетках; создание адекватной модели критического состояния для аккуратного определения нс, и плотности критического тока Jc в СП, имеющих форму пластинки.

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

1. Теоретически исследована структура изолированного вихря, лондоновская глубина проникновения и анизотропия в СП сверхрешетке с произвольными параметрами слоев. Для этого создана модель слоистого СП, учитывающая реальные граничные условия на границе слоев и эффект близости.

2. Теоретически показано, что температурные зависимости НС\(Т) для SNS СР могут иметь положительную кривизну, причем анизотропия #ci зависит' от температуры и может как возрастать, так и убывать, как функция температуры, в зависимости от параметров сверхрешетки.

3. Разработана модель критического состояния, позволяющая определять объемные значения Нл и Jc в ВТСП и прочих СП, имеющих форму пластинки.

4. Экспериментально определены температурные зависимости нижнего критического поля #сЬ критического тока пиннинга J, и анизотропии в Nb/Cu СР и монокристаллах Т1гВагСа1СигОх, УВагСиз07-х и k-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)z.

5. Обнаружены аномальные температурные зависимости с положительной кривизной при низких температурах для Nb/Cu сверхрешеток и ВТСП монокристаллов Т!гВагСа^СигОх, что дает аргументы в пользу SNS природы последних. Теоретически исследована возможность и получены экспериментальные свидетельства в пользу существования второго размерного перехода из 2D в "2D сильносвязанное" (2DSC) состояние в SNS сверхрешетках при низких температурах за счет эффекта близости.

6. Наблюдены новые проявления 3D-2D кроссовера в Nb/Cu СР при температуре кроссовера: а) Резкое увеличение анизотропии Яс1. б) Появление гистерезиса на ВАХ при измерительном токе поперек слоев, в) Излом на температурной зависимости критического тока поперек слоев.

7. Теоретически исследованы зависимости критической температуры Тс, температуры 3D-2D кроссовера и критического тока поперек слоев £ в SNS сверхрешетках, от параметров СР.

8. Произведено прямое наблюдение 3D-2D размерного перехода в Nb/Cu СР и процесса разрешения отдельных слоев в сверхрешетках во время 3D-2D кроссовера. С уменьшением температуры наблюдалось последовательное кратное увеличение напряжения ступеньки Шапиро на вольт-амперных характеристиках (ВАХ), показывающее возрастание числа разрешенных Nb/Cu/Nb джозефсоновских переходов в сверхрешетках.

Практическая ценность работы определяется, в первую очередь, перспективами использования СП CP для создания стандарта -вольта, различных СП детекторов и для других применений в криоэлектронике. Их использование сможет существенно увеличить уровень интеграции в криоэлектронике. Кроме того, исследование модельных объектов необходимо для глубокого понимания свойств ВТСП и прочих естественных слоистых СП, имеющих перспективы практического применения. Разработанная модель критического состояния позволяет определять объемные значения Нс, и Jc в ВТСП и прочих СП, имеющих форму пластинки. Предложенная теоретическая модель слоистого СП развивает существующие модели слоистых СП, позволяя училъ:::™:.- p""vnl-ul-IQ свойства слоев и пространственные изменения СП сяойслв. нш ЬожпС <чПП «"-Р

Апробация работы. Результаты исследований, изложенных в диссертации были представлены на XXV Всесоюзном совещании по физике низких температур (Ленинград 1988), Workshop on Electronic Properties of Semiconductor Microstructures and Superconducting Films (Gurzuf 1990), International seminar "Pinning and the resistive state in superconductors" (Chernogolovka 1991), XXIII General conference of the European Physical Society (Regensburg, 1993), European Conference for PhD students in Physical Sciences PeH'93 (Paris-Orsay 1993), 20th International Conference on Low Temperature Physics (Eugene 1993), Scientific Meeting on the Development of Solid State Physics in the Netherlands (Velhoven, 1993), SPIE's International Symposium (Los Angeles 1994), The Nationaie Conferentie Sensortechnologie (Enschede 1994), Int. workshop on superconductivity and particle detection (Toledo 1994), Int. Conference M2S-HTSC IV (Grenoble 1994), The 1st European Workshop on Low Temperature Electronics "Wolte" (Grenoble 1994), European Conference for PhD students in Physical Sciences PeH'94 (Montpellier 1994), Int. workshop on advanced technology of multicomponent solid films and structures, (Dubrinichi, Ukraine September. 1994), International Seminar "MRSS'95" (Chernogolovka 1995).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитированной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, сформулированы цели и основные результаты работы, указана структура диссертации.

Глава I (Литературный обзор) посвящена обзору известных из литературных источников свойств слоистых СП и сверхрешеток.

К настоящему времени существует довольно большое количество теоретических моделей слоистых СП. Пожалуй, самой популярной моделью является модель Лоуренса-Дониака (ЛД) [3], которая привлекает исследователей простотой и наглядностью результатов. Модель ЛД основана на феноменологической теории Гинзбурга-Ландау (ГЛ). В рамках модели рассматривается CP двумерных СП плоскостей, слабо связанных с помощью джозефсоновского туннелирования. Для возмущений, в которых параметр порядка ГЛ слабо меняется на размерах порядка межплоскостного расстояния d, дискретные уравнения ЛД сводятся к трехмерному анизотропному уравнению ГЛ. Таким

образом, в непосредственной близости от Тс СР находится в 3D состоянии и ведет себя как однородный, в направлении поперек слоев, СП. С понижением температуры длина когерентности & уменьшается и когда она становится меньше d, начинают проявляться свойства отдельных СП слоев и СР переходит в квази-двумерное состояние. Как было показано в [4], в рамках модели ЛД, размерный 3D-2D кросовер происходит при температуре

ii(re)~rf/Vî. (1)

Модель ЛД, описывающая SIS СР, становится неприменимой для искусственных SNS СР, в которых толщины слоев, как правило, не меньше длины когерентности, а связь между слоями осуществляется за счет эффекта близости. Для описания свойств искусственных SNS СР необходимо учитъвать пространственное изменение СП свойств слоев в направлении поперек слоев.

Эффект близости приводит к наведению СП свойств в нормальном металле и существенным образом меняет такие важные характеристики СП, как плотность состояния квазичастиц, параметр порядка и т.п. как в S, так ив N слоях. В разделе 1.2 рассматривается эффект близости в рамках микроскопических уравнений Узаделя [5], верных для грязных S и N слоев.

Слоистые СП и СР обладают рядом оригинальных физических свойств. Одним из известных особенностей СП СР является изменение температурной зависимости верхнего критического поля вдоль слоев Я'2(Г) от линейной, типичной для 3D СП, к корневой, характерной для 2D СП пленки. Данное проявление 3D-2D кроссовера наблюдалось для широкого класса СП СР, имеющих различную структуру [6,7].

Другим типом размерного перехода в слоистом СП является 3D-2D фазовый переход (ФП) вихревой решетки (BP) [8]. Вихрь в слоистом СП является сложным образованием. В простейшем случае SIS СР вихрь можно представить ввиде квази-20 "pan-cake" вихрей в СП слоях, связанных с помощью джозефсоновских вихрей и непосредственного магнитного взаимодействия. Если взаимодействие 2D вихрей в слое мало по сравнению с взаимодействием между слоями, то вихревая структура представляет собой систему трехмерных вихревых нитей, пронизывающих много слоев. В противоположном случае, когда корреляции 2D вихрей в соседних слоях малы, вихревая структура представляет собой независимые 2D BP в каждом слое. Т.к. 3D-2D ФП BP зависит от взаимодействия между вихрями, то в отличии от 3D-2D размерного кроссовера он зависит не только от температуры, но и от плотности BP, т.е. от магнитного поля. С помощью 3D-2D ФП BP удается удовлетворительно объяснить происхождение линии необратимости для ВТСП.

Для исследования магнитных, свойств СП и вихревой динамики необходимо знать силы, действующие на вихри в СП. Это особенно важно для изучения критического состояния "жестких" СП II рода. В конце главы рассмотрены силы, действующие на вихри в СП второго рода при наличии пиннинга.

Глава 2 (Методика эксперимента) содержит описание технологии приготовления образцов и экспериментальных методик.

Многослойные Nb/Cu сверхрешетки изготавливались методом ВЧ ионно-плазменного распыления с постоянным напряжением без дополнительного подогрева подложки. Образцы, изготовленные для измерений поперек слоев, состояли из толстых нижнего и верхнего Nb

электродов с толщинами 1500Â, изолирующего слоя S/Ог толщиной 4000Â и Nb/Cu сверхрешетки. Сверхрешетки состояли из 10 медных слоев с толщинами A—150Â или 200А и 10 ниобиевых слоев с толщиной ds=200Â, которые составляли 10 вертикально расположенных Nb/Cu/Nb джозефсоновских переходов. Для того, чтобы увеличить поперечное сопротивление сверхрешетки, ее сечение было сделано как можно меньше. Диаметр сверхрешетки составлял 20цгп. Верхний электрод контачил со сверхрешеткой через окно в S/Ог диаметром 12цт.

Для измерения магнитного момента сверхрешеток и монокристаллов ВТСП необходим был магнитометр с очень хорошей чувствительностью. При ориентации поля вдоль слоев это было связано с малым значением шсзшга ¿$'.чнчиомио ноты, а пои нншпшшии пппор"^ это было важно я сна?и с большим размагничивающим факюром образцов. В обоих случаях измерения должны были проводиться в малых полях, кроме того, сами образцы имели малые размеры, таким образом, магнитные моменты образцов были малы. Измерения магнитного момента проводились с помощью магнитометра на основе ВЧ-СКВИДА, с конструкцией криогенной части типа "перевернутый дьюар".

Для исследования джозефсоновских свойств СР необходимо было измерять вольт-амперные характеристики (ВАХ) образцов, с приложенным СВЧ полем. СВЧ поле поступало во вставку через волновод. Описаны способы согласования и подведения СВЧ поля к образцу.

В Главе 3 (Структура вихря и нижнее критическое поле в слоистых сверхпроводниках) теоретически и экспериментально исследованы: структура вихря в СП СР и слоистых СП, температурные зависимости величин магнитной анизотропии, нижнего критического поля #с„ глубины проникновения магнитного поля Л для поля вдоль и поперек слоев. Особое внимание уделялось изучению SNS СР, в которых благодаря эффекту близости большую роль играет наведенная сверхпроводимость нормальных слоев. В первой части главы теоретически исследованы магнитные свойства SNS СР в зависимости от физических параметров слоев. Во второй половине главы обсуждается ряд особенностей кривых намагничивания ВТСП, представлены модель критического состояния и метод определения Ис, и J. в СП с большим размагничивающим фактором, приведены полученные экспериментальные результаты и определенные из них значения Яс, и Jc для различных слоистых СП структур.

Нижнее критическое поле сверхпроводника прямо пропорцианально энергии единичного вихря на единицу длины и, таким образом, непосредственно зависит от структуры вихря. Вихрь в слоистом СП имеет сложную структуру. Для SIS СР структура вихря и нижнее критическое поле теоретически исследовались Клемом [9]. Им было показано, что для короткопериодической S/S сверхрешетки d«X температурная зависимость Яс, отличается от обыкновенной лишь численным множителем.

В первых разделах главы теоретически изучена структура вихря в SNS (SS'S) СР с конечной толщиной слоев в поле поперек и вдоль слоев. Для короткопериодической СР получено анизотропное аналитическое решение для вихря и глубины проникновения вдоль и поперек слоев: l-^Y.xfdjd. (2)

£,*TL#dJd+T.& . (3)

Здесь Л -лондоновская глубина проникновения слоев, а Дг, -джозефсоновская глубина проникновения межслоевых границ. Суммирование ведется по периоду СР. В SNS СР глубина проникновения в нормальном металле наводится за счет эффекта близости с S слоями и задача определения Нс1 и Я сводится к вычислению эффекта близости.

На рис. 1 показаны рассчитанные зависимости HLC,(T) для SNS СР. Параметрами эффекта близости являются величины у ru=rdN/24N, yBN = RBaN/4N и rB = yBNd„/2£„, где £iiW = Vft-iW2**r«--длина когерентности в грязных металлах и RB -произведение сопротивления S/N границы на ее площадь. Расчеты проводились в рамках уравнений ГЛ, с учетом точных граничных условий на S/N границах, полученных из микроскопической теории. Зависимости //^(Г) нормированы на величину нижнего критического поля объемного СП при нулевой температуре Hl,. На рисунке 1а) показано семейство кривых для различной прозрачности S/N границы, ^м=1; 3; 5; 100 (кривые 1; 2; 3; 4, соответственно), но при фиксированном у=1. На рисунке 1Ь) показано семейство кривых для различной проводимости'слоев, у=2\ 1; 0.5; 0.1 (кривые 1; 2; 3; 4, соответственно), но при фиксированном jbN=3.

Рисунок 1. Рассчитанные зависимости Н\,(Т) для SNS СР с ¿5=4, dN= 11, <i=15, Ç's= (усл. ед.). На рисунке а) параметры у, увн равны 1,1; 1,3; 1,5; 1,100 (кривые 1; 2; 3; 4, соответственно). На рисунке Ь) параметры у, jfeN равны 2,3; 1,3; 0.5,3; 0.1,3 (кривые 1; 2; 3; 4, соответственно).

Для СР с хорошей прозрачностью границ и хорошей проводимостью N слоев, наблюдается аномальная положительная кривизна на зависимости [10]. В противоположном случае у„»1, у«1 (кривые 4 на рис.1а,Ь), эффект близости слабо выражен и СР ведет себя как SIS структура с нормальной зависимостью #i,(7). Положительная кривизна на HLC,(T) возникает в основном за счет вклада от N слоев и обусловлена возрастанием параметра порядка в нормальном металле с уменьшением температуры за счет эффекта близости.

Из рис.1 следует, что Л,, определяющая Н^-,, обладает аномальной температурной зависимостью. Глубина проникновения сильно зависит от прозрачности S/N границы. При плохой прозрачности S/N границ (SINIS случай) поведение нормально. Для CP с хорошей

прозрачностью одной границы (SINS случай), параметр порядка на джозефсоновской SIN границе определяется NS переходом. В этом случае поведение XJ.T) становится аномальным.

Расчеты показали, что анизотропия глубины проникновения a = Áxy¡Á! (в пределе большого к анизотропия глубины проникновения равна анизотропии нижнего критического поля) в SINIS CP с плохой прозрачностью границ оастат с умпиыпйниом тоипвпатупи « ° сшс по п vopoujer» грд.нпц и^щаш о

температурой. Таким образом, ма(нтная анизотропия в SNS структурах, в отличие от SIS структур, зависит от температуры.

Как было показано, нижнее критическое поле поперек слоев в SNS CP может иметь аномальную температурную зависимость с положительной кривизной при низкой температуре. Однако, прямых экспериментальных свидетельств этому явлению не было. Главную трудность при экспериментальном исследовании Н1Л CP представляет плоская форма образцов. Обычно, искусственно приготовленная CP представляет собой тонкую металлическую пленку с продольными размерами на много порядков превосходящими толщину СР. Размагничивающий фактор такого образца близок к единице,так что вихри проникают в образец при очень малом внешнем поле, которое трудно измерить экспериментально.

Для того, чтобы уменьшить размагничивающий фактор образца и увеличить измеряемый сигнал от CP, нами был изготовлен образец, состоящий из Nb/Cu CP в форме дисков с малым диаметром (25цт и 50цт), составляющих правильную треугольную решетку. Период решетки был сделан равным трем диаметрам, чтобы избежать взаимного влияния дисков друг на друга. Таким образом удалось пронаблюдать аномальную температурную зависимость HLct(T) (см. рис.2), которая хорошо описывалась расчетной кривой.

При исследовании ВТСП также была обнаружена необычная температурная зависмость /£,(7") с положительной кривизной при низких температурах [2,11], при этом анизотропия #с| возрастала с понижением температуры [11]. До последнего времени не было ясно, является ли аномальная зависимость Я^,(Г) внутренним свойством ВТСП или вызвана особенностями проникновения магнитного поля в образец и неточностью определения Щ. Главными явлениями, осложняющими определение Ясi и Jc для ВТСП, являются: большие поверхностный барьер и геометрический барьер [12] для вхождения вихрей в образец (из-за наличия которых невозможно определить #с, по началу вхождения вихрей в образец), а также, плоская форма монокристаллов с большим размагничивающим фактором в поперечном поле, делающая невозможным использование старых моделей критического состояния для обработки кривых намагничивания ВТСП.

В разделе 3.6 представлена модель критического состояния 3-х осного эллипсоида и способ определения Яс, и Jc в образцах пластинчатой формы. Эта модель учитывает изменение размагничивающего фактора при проникновении поля в образец, упругие свойства вихревой решетки и особенности экранирования плоским образцом.

В последней части главы приведены температурные зависимости Яс1 и Jc для монокристаллов ряда слоистых СП: ^Ва^Си^От-ж, TlzBazCaCuzO*, k-{BEDT-TTF)2Cu{NCS)2, определенные с помощью разработанной модели критического состояния. При определении НЛ и Jc расчетные зависимости М(Н) приближались к экспериментальным во всем интервале используемых полей. При этом Яс, и Jc входили в расчет в качестве свободных параметров. Таким образом, Яс1 определялось по всей кривой, а не по началу Стклонения от абсолютного диамагнетизма.

В разделе 3.7 обсуждается ряд особенностей кривых намагничивания ВТСП. Показано, что на обратном ходу кривой магнитного гистерезиса имеется линейный участок, наклон которого не зависит от температуры, критического тока и магнитного поля, а определяется только формой образца.

Глава 4 (Размерные переходы в сверхпроводящих сверхрешетках) посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию размерных переходов и их влияния на свойства СП сверхрешеток.

Как было показано Лоуренсом и Дониаком [3], в непосредственной близости от Тс слоистая структура СП СР не проявляется и СР ведет себя как однородный, в направлении поперек слоев, СП. СР при этом находится в анизотропном 3D состоянии. С понижением температуры длина когерентности & уменьшается и когда она становится меньше периода СР, начинают проявляться свойства отдельных СП слоев и СР переходит в квази-двумерное состояние. 3D-2D кроссовер сопровождается изменением температурной зависимости верхнего критического поля вдоль слоев Н[2 при Т=ТШ [6,7]. При Т>Тт , Н[2(Т)~1-Т/ТС , как для объемного сверхпроводника (3D состояние), а

при Т<ТЮ , Н\2(Т) ~ (1-т/т*) , 1*~ТШ , как для тонкой пленки в параллельном магнитном поле (2D состояние). Подобные эксперименты, обычно, проводятся при измерительном токе, текущем вдоль слоев. Таким образом тестируется самое сильное сверхпроводящее звено - S слои. Однако, поскольку связь в СР определяется N слоями, более прямыми исследованиями кроссовера и связи между слоями являются эксперименты с измерительным током поперек слоев. Таких экспериментов практически не было к началу наших исследований. Главной причиной было отсутствие соответствующих образцов. Трудность тут состоит в том, что искусственные SNS сверхрешетки представляют собой тонкие металлические пленки толщиной доли микрон с очень маленьким поперечным сопротивлением. Для того, чтобы увеличить поперечное сопротивление СР необходимо уменьшать поперечное сечение образца. Такой образец (с диаметром 20 цт) на основе Nb/Cu СР был нами изготовлен. Резистивные измерения Nb/Cu СР с током поперек слоев, а также магнитные измерения с полем вдоль слоев дали возможность обнаружить новые проявления 3D-2D кроссовера.

На рис. 2 показаны полученные температурные зависимости нижнего критического поля Nb/Cu (200A/150Â) Для ориентации поля вдоль (открытые кружки) и поперек (звездочки) слоев. Данные по взяты из §3.5. Поле я", измерялось СКВИД магнитометром и определялось по началу отклонения от абсолютного диамагнетизма. Из рис.2 видно, что нижнее критическое поле в обоих направлениях имеет аномальную температурную зависимость с положительной кривизной

при низких температурах. я1,(7) имеет Б-образный вид с двумя перегибами. В области вблизи Тс, Г*=7.2-5.5К, линейно возрастает с уменьшением температуры, однако, при Г=7'~5.5К выходит на насыщение. При еще более низких температурах У<4К, ¡¡'а начинает возрастать с положительной кривизной. Анизотропия а-н^/Н^ показана на рис. 3. Видно, что в районе 7=7'«5.5К анизотропия испытывает скачок от 10 (Т>1') до 15 (Т< f).

.......................к...................t

Ö10 tt:

.....н c,.io

О О О О О Н Г1

° e^-U,.

т(к) А Г~Т

Fi

"Ч 5

•'. V"

tttjrnimny ""тттц шиш ijtiiiimii^imi "t'y m

ЦК)

lo-

ci

Рисунок 2. Температурные зависимости Нс | для Nb/Cu CP при ориентации поля вдоль (открытые кружки) н поперек (звездочки) слоев. На вставке показана температурная зависимость энергии кора внхря (ур.4).

Рисунок 3. Температурная зависимость анизотропии нижнего

критического поля Nb/Cu сверхрешсткн.

Температура, при которой происходит скачкообразное увеличение анизотропии совпадает с температурой 3D-2D кроссовера, измеренной по Яс2 7'«7'нз=5.5К. Данный эксперимент является новым наблюдением 3D-2D кроссовера. Изменение анизотропии связано с изменением структуры кора вихря при 3D-2D кроссовере. По мере уменьшения температуры уменьшается размер кора и при температуре 3D-2D кроссовера кор вихря умещается в одном периоде решетки &(T-x>Y-d. При меньших температурах кор вихря находится о N слое и величина н[\ уменьшается. При этом происходит рост анизотропии.

Дальнейшее увеличение н\\ при уменьшении температуры и тот факт, что экспериментальные значения н\\ становятся больше расчетных, может быть свидетельством второго кроссовера от 2D в 2D сильно связанное (2DSC) состояние. Подробно 2D-2DSC кроссовер рассматривается в конце главы. 2D-2DSC кроссовер возникает только для SNS (SS'S) СР. Он вызван усилением связи между слоями при уменьшении температуры за счет усиления эффекта близости. Он происходит из-за того, что длина когерентности нормального металла увеличивается с уменьшением температуры. Качественно 2D-2DSC кроссовер происходит тогда, когда 4n становится порядка dH. При этом у вихря опять появляется существенная энергия кора, поскольку область подавленой сверхпроводимости в коре вихря, находящегося в центре N слоя, доходит до S/N границы и за счет эффекта близости подавляет параметр порядка в S слоях. Качественно размер области подавленной

сверхпроводимости в S слое равен £Nx£s и температурная зависимость энергии кора дается выражением:

(4)

Эта зависимость показана на вставке к рис. 2. Видно качественное согласие с экспериментальными данными. Таким образом, из-за увеличения энергии кора и электромагнитной энергии вихря при понижении температуры наблюдается положительная кривизна на зависимости #с1(7) для обеих ориентации поля.

В разделе 4.2 представлены результаты резистивных исследований Nb/Cu CP с током, текущим поперек слоев, с помощью которых было проведено экспериментальное наблюдение влияния 3D-2D кроссовера на Jc поперек слоев и ВАХ Nb/Cu сверхрешеток. Для этого были изготовлены специальные образцы с малым диаметром 02Оцгл для того, чтобы увеличить поперечное сопротивление. Сверхрешетки состояли из десяти медных слоев с t/N=150A (Sample I) и rfN=200Â (Sample II) и десяти ниобиевых слоев î4=200A, составляющих 10 вертикально стэкированных Nb/Cu/Nb джозефсоновских переходов.

На ВАХ СР, с током поперек слоев, при понижении температуры появлялся ярко выраженный гистерезис, который не был вызван перегревом образца. Это видно из рис.4, на котором показаны измеренные величины критического тока 1С и обратного тока I, для обоих образцов, h -это ток, при котором образец переходит в резистивное состояние при увеличении тока, al, - ток, при котором образец переходит из резистивного в сверхпроводящее состояние при уменьшении тока. Оновременно с появлением гистерезиса меня лея наклон зависимости /с(7). Штриховые линии на рис. 4 показывают, что ниже точки появления гистерезиса, поведение ЦТ) определяется температурой 7~9К, что близко к Тс изолированной Nb пленки.

Гистерезис на ВАХ джозефсоновского перехода известное и хорошо изученное явление [13], которое вызывается наличием емкости перехода. В 2D состоянии, когда слои разрешены, эффективная емкость переходов существенно больше, чем в 3D состоянии. Действительно, для СР Nb/Cu, 200Â/150A (Sample I), температура возникновения гистерезиса близка к температуре 3D-2D кроссовера, Гя>=5.5К и для образца с более толстыми слоями (Sample II) эта температура выше, в качественном согласии с ур. 1.

Для того, чтобы полнее понять наблюденные явления, был произведен расчет эффекта близости и критического тока в SNS СР. Из вычислений можно понять, с чем связано изменение наклона Д(Г). Оказывается, что при температуре ниже области кроссовера, параметр ГЛ y/s становится порядка своего равновесного значения у0, как для системы невзаимодействующих S слоев (чисто 2D состояние).

Используя точку изменения наклона Ц1) и связанное с ним условие:

в качестве критерия 3D-2D кроссовера, была расчитана температура кроссовера Тго в зависимости от параметров SNS СР. Как показали расчеты, Тт оказывается связанной с критической температурой СР Тс. Вместе с тем, Тк, зависит также и от параметров СР. В частности, Тю уменьшается с увеличением прозрачности /?и, в согласии с работой [7],

уменьшается при увеличении отношений и ¿/^¡/¿/д^*- Таким

образом, для ЭЛ/б СР уравнение для Т20 более сложное, чем в модели ЯД, ур.(1).

В раздело 4.4 приведены результаты прямого экспериментального наблюдения 30-2Э кроссовера в ЫЬ/Си сверхрешетках и изменения джозефсоновских свойств СР. В ЗЭ состоянии СР не должна проявлять внутренних джозефсоновских свойств, в то время, как в 2Р состоянии СР

представляет из себя вертикальный стэк джозефсоновских переходов (всего образцы содержали десять стэкированных ЫЬ/Си/ЫЬ переходов).

о о о о о /е

\

ъ 5отпр1е-11

' '.»А- .«•••/„

% ...../г

А4

V

......\

у. \

т"" ЦК)

4 ~1 I ? Г

т(к)

50

Рисунок 4. Экспериментальные значения критического тока 1С и обратного тока I, для обоих образцов. Видно, что с появлением гистерезиса меняется наклон 1С(Т). Штриховые линии показывают, что ниже точки появления гистерезиса поведение /,(7") определяется температурой 7"~9К.

Рисунок 5. Зависимость кратности ступеньки Шапиро от температуры для обоих образцов. Хорошо видно увеличение краткости ступеньки, показывающее возрастание разрешенных переходов в СР. Случай N=1 при высоких температурах соответствует чистому ЗП состоянию. Случай N=10 при низких температурах

соответствует чистому 21) состоянию.

В приложенном СВЧ поле и=8-18 Ггц, на ВАХ СР, с током поперек слоев, наблюдалась и-кратная "принципиальная" ступенька Шапиро с напряжением У„ = п(и/2е)у. Высота ступеньки зависела от температуры. При высоких температурах Т~Т, наблюдалась однократная ступенька Шапиро, соответствующая одиночному переходу у, = (и/2е)у. Таким образом, СР находился в ЗЭ состоянии и образец вел себя, как одиночный ЭЭ'Э переход (нижний ЫЬ электрод/ СР/ верхний ЫЬ электрод). При понижении температуры кратность ступеньки увеличивалась и при низких температурах наблюдалась десятикратная ступенька у10 = ю{н/2е)у, что соответствует чистому 20 случаю, когда работают синхронно все 10 ЫЬ/Си/ЫЬ переходов. При этом напряжение

на каждом переходе равно Ki = (ft/2e)v, а выходное напряжение на образце равно сумме напряжений на переходах.

Зависимость кратности ступеньки Шапиро от температуры для обоих образцов показана на рис. 5. Хорошо видно увеличение кратности ступеньки, показывающее возрастание синхронизованных областей в сверхрешетке при понижении температуры.

Основные результаты и выводы:

1 ) Теоретически исследована структура вихря в SNS сверхрешетке для ориентации вдоль и поперек слоев. Для короткопериодической СР получено аналитическое решение для эффективных глубин проникновения магнитного поля вдоль и поперек слоев.

2) Показано, что нижнее критическое поле и глубина проникновения в SNS СР могут иметь аномальную температурную зависимость. При этом HAT) может иметь положительную кривизну при низкой температуре благодаря усилению экранирующих свойств N слоев за счет эффекта близости. Показано, что анизотропия магнитных свойств SNS СР (в отличии от SIS СР) зависит от температуры и может как возрастать, так и убывать с уменьшением температуры.

3) Экспериментально исследовано нижнее критическое поле в Nb/Cu сверхрешетке и ряде слоистых СП. Обнаружено, что для слоистых структур характерна аномальная температурная зависимость НС\(Т) без насыщения при низких температурах. Для Nb/Cu сверхрешетки и Г/гВагСаСигОх ВТСП наблюдалась положительная кривизна #^,(7'), что может говорить о SNS структуре данных сверхпроводников.

4) Для корректной обработки кривых намагничивания СП, имеющих форму пластинок, была разработана модель критического состояния 3-х осного эллипсоида с малой поперечной осью. Эта модель была использована для определения объемных значений #с, и Jç органического СП *-(S£D7"-7TF)2Cu(NCS)2, и ВТСП монокристаллов УВа2Сиз07.х и Т1гВагСаСигОх.

5) Установлено, что на кривых намагничивания имеется универсальный наклон начального участка обратного хода гистерезиса. Показано, что этот наклон связан только с геометрией образца.

6) С помощью специальных модельных образцов впервые экспериментально исследованы: а) Температурная зависимость анизотропии нижнего критического поля SNS (Nb/Cu) сверхрешетки, б) Критический ток поперек слоев в Nb/Cu сверхрешетках.

7) Обнаружены новые проявления 3D-2D кроссовера: а) Скачкообразное увеличение анизотропии #с, при Т=ТЮ. б) Излом на температурной зависимости критического тока поперек слоев, в) Появление гистерезиса на ВАХ с током поперек слоев.

8) На основании полученного критерия 3D-2D кроссовера, теоретически исследована зависимость температуры кроссовера от параметров SNS СР и ее связь с тс сверхрешетки. Кроме того, обсуждена возможность второго 2D-2DSC кроссовера из двумерного состояния в двумерное сильно-связанное состояние, которое может происходить в SNS СР при дальнейшем понижении температуры, когда связь между слоями возрастает за счет эффекта близости.

9) Впервые проведено прямое экспериментальное наблюдение процесса разрешения отдельных слоев во время 3D-2D кроссовера и изменение Джозефсоновских свойств для Nb/Cu сверхрешеток.

Список публикаций по теме диссертации _______________

По теме диссертации опубликовано более 30 печатных работ.

Основные результаты изложены в работах:

[А1] M.V.Kartsovnik, V.M.Krasnov, VALarkin, V.V.Ryazanov, I.F.Schegolev, "Critical state and field Hc1 in YBa2Cu307-x single crystals", "HTSC from Russia", Vol.11 (World Scientific, Singapore,1989) p.181-186.

[A2] М.В.Карцовник, В.М.Краснов, Н.Д.Кущ, "Критическое состояние и нижнее критическое поле органического сверхпроводника x-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2", ЖЭТФ 97, (1990) 367-372.

[A3] M.V.Kartsovnik, V.M.Krasnov and N.D.Kushch,

"Diamagnetic properties of the organic superconductor x-(BEDT-TTF)2Cu(NCS)2". Synthetic Metals. 36 (1990) p.27-33.

j д g U| M rnnunno u К A rngruno й л lianmiu й M Mmounn

Т.Г.Тогонидзв, Н.Ф.Щвголев, "Пиннинг и нижней кршичисксо ¡¡или а монокристаллах "ПгВагСаСигОх", Письма в ЖЭТФ 51 (1990) 147-150.

[А5] V.M.Krasnov, V.A.Larkln and V.V.Ryazanov, "The extended Bean critical state model for superconducting 3-axes ellipsoid and its application for obtaining the bulk critical field Hci and the pinning current J0 in high-Tc superconducting single crystals", Physica С 174 (1991) 440-446.

[A6] V.M.Krasnov, "A method of determination of the bulk critical field Hci and the pinning current Jc In HTSC single crystals from hysteresis curves'.Physica С 190 (1992) 357-366.

[A7] A.A.Golubov and V.M.Krasnov, "The first critical field, Hci, and the penetration depth in dirty superconducting S/N multilayers", Physica С 196 (1992) 177-184.

[A8] V.M.Krasnov.V.A.Oboznov and V.V.Ryazanov,

"Anomalous temperature dependence of Hci in superconducting Nb/Cu multilayer", Physica С 196 (1992) 335-339.

[A9] V.M.Krasnov, N.F.Pedersen and A.A.Golubov, "The vortex structure and the anisotropy of the penetration depth in superconducting multilayers. The vortex parallel to layers", Physica С 209 (1993) 579-584.

[A10] V.M.Krasnov, A.E.Kovalev, V.A.Oboznov and V.V.Ryazanov, "Anisotropy of the lower critical field in Nb/Cu multilayer: The evidence for 3D-2D crossover", Physica С 215 (1993) 265-268.

[A11] V.M.Krasnov, A.A.Golubov and N.F.Pedersen, "The anisotropy of the penetration depth in S/N multilayers", Physica В 194-196 (1994) 1423 -1424.

[A12] V.M.Krasnov, A.E.Kovalev, V.A.Oboznov and V.V.Ryazanov, "Anisotropy of the lower critical field in Nb/Cu Multilayer", Physica В 194-196 (1994) 2387-2388.

[A13] V.M.Krasnov, N.F.Pedersen, V.A.Oboznov and V.V.Ryazanov, "Josephson properties of Nb/Cu multilayers", Phys.Rev. В 49 (1994) 12969-12974.

[A14] V.M.Krasnov, N.F.Pedersen and V.A.Oboznov, "Influence of the 3D-2D crossover on the critical current of Nb/Cu multilayers", Phys.Rev. В 50 (1994) 1106-1110.

[A15] A.A.Golubov, E.P.Houwman, J.G. Gijsbertsen, V.M.Krasnov,

M.Yu.Kupriyanov, J.FIokstra and H.Rogalla, "Proximity effect in SS'IS"S Josephson junctions: Theory and Experiment", Phys.Rev.B, 51 (1995) 1073-1089.

[A16] V.M.Krasnov and N.F.Pedersen, "Direct observation of the 3D-2D crossover and Josephson properties of Nb/Cu multilayers", Physica С 235-240 (1994) 3285-3286.

[А17] A.A.Golubov, E.P.Houwman, V.M.Krasnov, J.G.Gijsbertsen, J.FIokstra, H.Rogalla, J.B. le Grand and P.A.J, de Korte, "Quasiparticle lifetimes and tunneling times in an SS'IS"S tunnel junction detector", Journal de Physique IV, Colloque C6 Supplement J. de Physique III, v. 4, (1994), C6-273 - C6-278.

[A18] V.M.Krasnov, V.A.Oboznov, V.V.Ryazanov and N.F.Pedersen, "Fabrication and characterization of Nb/Cu multilayers designed for measurements across layers", Proc. Int. workshop on advanced technology of multicomponent sol id films and structures, 28-30 Sept. 1994 Dubrinichi, Ukraine p.35-36. [A19] V.M.Krasnov, "Crossover to 2D Strongly Coupled state and temperature dependence of the coupling between layers In SNS multilayers", Physica С (принято в печать, Июль 1995).

Цитированная литература:

1. R.Kleiner and P.Maller, "Intrinsic Josephson effects in high-Tc superconductors" Phys.Rev.B 49 (1994) 1327.

2. T.lshii and T.Yamada, "Anisotropic Lower Critical Field of Single Crystal

Ba2YCu3Oy" Physica С 159 (1989) 483-487.

3. W.E.Lawrence and S.Doniach, "Theory of layer structure

superconductors", Proc. LT-12, Kyoto 1970, edited by E.Kanada (Keigaku, Tokyo, 1970) p.361.

4. R.A.KIemm, A.Luther and M.R.Beasley, "Theory of the upper critical field in

layered superconductors", Phys.Rev.B 12 (1975) 877-891.

5. K.D.Usadell, "Generalized diffusion equation for superconducting alloys",

Phys.Rev.Lett. 25 (1970) 507. 6.1.Banerjee and I.K.Schuller, "Transition Temperatures and Critical Fields of Nb/Cu Superlattices", J. Low Temp. Phys. 54 (1984) 501-518.

7. S.Takahashi and M.Tachiki, "Theory of the upper critical field of

superconducting superlattices", Phys.Rev.B. 33 (1986) 4620-4631.

8. L.I.GIazman and A.E.Koshelev, "Thermal Fluctuations and Phase Transitions in the Vortex State of a Layered Superconductor", Phys.Rev.B 43(1991)2835.

9. J.R.Clem, "Two-dimensional vortices in a stack of thin superconducting

films: A model for high-temperature superconducting multilayers", Phys.Rev.B 43 (1990) 7837-7346.

10. T.Koyama, N.Takezawa and M.Tachiki, "Anomalous Temperature Dependence of Hci in Layered Oxide Superconductors", Physica С 168 (1990) 69-78.

11. V.M.Krasnov, "A method of determination of the bulk critical field Hci and the pinning current Jc in HTSC single crystals from hysteresis

curves",Physica С 190 (1992) 357-366.

12. E.Zeldov, A.I.Larkin, V.B.Geshkenbein, M.Konczykowski, D.Majer, B.Khaykovich, V.M.Vinokur and H.Shtrikman, "Geometrical Barrier in High-Temperature Superconductors", Phys.Rev.Lett. 73, (1994) 1428.

13. D.E. McCumber, "Effect of AC Impedance on DC Voltage-Current Characteristics of Superconductor Weak-Link Junctions", J.Appl.Phys, 39 (1968) 3113-3118.