Когерентные состояния в планарных структурах сверхпроводник-ферромагнетик

Прокофьев, Андрей Сергеевич

Когерентные состояния в планарных структурах сверхпроводник-ферромагнетик тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Прокофьев, Андрей Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Черноголовка МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Когерентные состояния в планарных структурах сверхпроводник-ферромагнетик»

Автореферат диссертации на тему "Когерентные состояния в планарных структурах сверхпроводник-ферромагнетик"

На правах рукописи

Прокофьев Андрей Сергеевич

Когерентные состояния в пленарных структурах сверхпроводник-ферромагнетик

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка - 2005

Работа выполнена в Институте физики твердого тела РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Рязанов Валерий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Овсянников Геннадий Александрович

кандидат физико-математических наук Бараш Юрий Семёнович

Ведущая организация: Институт проблем технологии

микроэлектронники и особочистых материалов РАН

Защита состоится и+риЛ. 2005 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 002.100.01 при Институте физики твердого тела РАН по адресу г. Черноголовка, Московская область, ул. Институтская, д.2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики твердого тела РАН

Автореферат разослан «иМ» 2005 года

/Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

Зверев В.Н.

£ С( (/С/ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сосуществование сверхпроводимости и ферромагнетизма - одно из наиболее популярных направлений в современной физике сверхпроводящих многослойных систем. Экспериментальные и теоретические исследования посвящены как сверхпроводящим соединениям с магнитными слоями (ферромагнитным сверхпроводникам или сверхпроводящим ферромагнетикам), так и искусственным многослойным структурам из сверхпроводящих и ферромагнитных металлов (БР- структурам), в которых ферромагнитные (Е-) и сверхпроводящие (5-) слои взаимодействуют друг с другом через границу раздела.

Джозефсоновские контакты, испытывающие переход в 7г-состояние (17г-контакты') были впервые приготовлены и изучены в 2000 году в Лаборатории сверхпроводимости ИФТТ РАН [5], где выполнялась и данная работа. Одной из важных задач диссертации являлось сравнение результатов, полученных на джо-зефсоновских сэндвичах с результатами исследований эффекта близости на бислойных ¿^-структурах, начатых в 1995-2001 гг. в нескольких научных центрах [6, 7, 8, 9].

Наряду с явлениями, обусловленными пространственными осцилляциями сверхпроводящего параметра порадка, не меньший интерес в процессе выполнения диссертации представляли также и другие эффекты взаимодействия сверхпроводимости и ферромагнетизма в ЯР- системах. Одним из стимулов для активного исследования магнеторезистивных явлений в структурах с ферромагнитными слоями явилось обнаружение, а затем и начало реального использования гигаетско-го магнетосопротивления в многослойных структурах из ферромагнетиков и нормальных металлов [10, 11], а также предсказание эффекта спинового клапана для F5F-систем [12]. Важной научной и практической проблемой изученной в ходе выполнения диссертационной работы является также исследование влияния реальной доменной структуры ферромагнетика на свойства ¿^-структур и обратного влияния сверхпроводника на магнитную структуру ферромагнетика [13, 14, 15].

Целью данной работы явились экспериментальные исследования особенностей эффекта близости в Б Г- системах (сверхпроводник/ферромагнетик), а так же магнитных и резистивных характеристик ¿^-структур.

3 ' ¿чзЬзд

Научная новизна работы. В диссертации впервые получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:

• Приготовлены и исследованы тонкие пленки слабоферромагнитных металлов на основе сплавов Cu/Ni и Pd/Fe, имеющие температуру Кюри в интервале 7-150 К.

• Экспериментально исследовано немонотонное поведение критической температуры бислойной S/F структуры при изменении толщины ферромагнитного слоя. Обнаружено, что минимум критической температуры Тс бислоя, связанный с пространственными осцилляциями наведенного сверхпроводящего параметра порядка в ферромагнетике, имеет место когда толщина ферромагнитного слоя близка к четверти периода пространственных осцилляций. Полученные значения периода пространственных осцилляций согласуются с результатами измерений, выполненных на джозефсоновских SFS сэндвичах.

• В FSF-сэндвичах обнаружено взаимодействие ферромагнитных слоев через тонкий сверхпроводник, проявляющееся в увеличении критической температуры Т, трехслойной системы при оптимальной (выгодной для сверхпроводника) подстройке доменных структур в F-слоях.

• В бислойных й^-структурах обнаружено спонтанное вихревое состояние в сверхпроводящем слое, связанное с близостью доменной магнитной структуры ферромагнетика. Обнаружены значительные (до 100%) магнеторезистив-ные эффекты, обусловленные перестройкой доменной структуры.

Практическая ценность диссертации определяется тем, что результаты проведённых исследований представляют интерес для разработки приборов нового поколения (спинтронных устройств) на основе сверхпроводящих и ферромагнитных тонкоплёночных структур: инверторов сверхпроводящей фазы, спиновых клапанов и т.п.

Личный вклад автора в экспериментальные работы, выполненные в соавторстве, является значительным и связан с участием в постановке задач и приготовлении структур, выполнении измерений и обработке результатов экспериментов.

Работа выполнена в основном в 2000-2005 гг. в ИФТТ РАН (Черноголовка). Некоторые из результатов экспериментов были получены совместно с Я.Аартсом и А.Ю. Русановым (Лейденский университет, Нидерланды) и группой В.М. Краснова (Чалмерский университет, Швеция).

J • J [ 4

^ «••« ' Tt* «Í»

Публикации. Содержание работы отражено в 3 статьях, опубликованных в реферируемых физических журналах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка цитированной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертации, а также актуальность, научная новизна и практическая ценность выполненной работы, сформулированы цели исследований, описана структура диссертации.

Глава 1. (Литературный обзор) посвящена обзору развития научных направлений, связанных с изучением транспортных и магнеторезистивных свойств многослойных тонкоплёночных структур с ферромагнитными слоями.

Как указывалось выше, одним из важных факторов активизации исследований многослойных структур с ферромагнетиками в последние 10-15 лет явился научный и инновационный прорыв в области технологии получения, изучения и применения структур с гигантским магнетосопротивлением (GMR). GMR-эффект связан с возможностью существенного изменения спин-поляризованного транспорта внешним приложенным магнитным полем в переходах ферромагнетик/нормальный металл (F/V-структурах) [10, 16, 17]. В случае антипараллельного направления на-магниченностей соседних F-слоёв сопротивление в таких структурах может достигать огромных величин в связи с большим спиновым рассеянием, тогда как в намагничивающем магнитном поле зоны с одинаковыми направлениями спинов оказываются напротив друг друга и сопротивление резко уменьшается. F/V-структуры и магнитные туннельные переходы уже находят практическое применение в качестве элементов памяти в компьютерной технике. Активные исследования в области развития элементов МЫАМ-памэти (Magnetoresistive random access memory) проводятся в исследовательских лабораториях Моторолы, NEC, Infineon и других компаний.

В последние годы прошлого века были предложены и начали исследоваться перспективные элементы на основе многослойных структур сверхпроводник- ферромагнетик (SF-cTpyKTyp), такие как спиновый FSF - клапан [12], джозефсоновский SFS 7г-контакт [5] и другие. Новые эффекты, предсказанные и обнаруженные в ¿■^-структурах, связаны с особенностями эффекта близости между S и F электронными системами с различным спиновым упорядочением. "Спиновый антагонизм" ферромагнетизма и сверхпроводимости является причиной сильного подавления сверхпроводимости в области контактов S и F материалов [18], в связи с тем, что обменное взаимодействие разрушает куперовские пары, электроны которых имеют противоположные направления спинов. Этот эффект должен значительно уменьшаться в случае, когда тонкий сверхпроводящий слой зажат между ферромагнетиками с противоположными направлениями намагниченностей [12, 19], что может быть использовано для получения значительных магнеторезистивных эффек-

тов, связанных с переключением FSF структуры из сверхпроводящего в резистив-ное состояние слабым магнитным полем. Наблюдению этого явления посвящена работа [20], однако величина наблюдаемого увеличения критической температуры Тс составляет всего несколько процентов, что гораздо ниже предсказанных значений и объясняется, по-видимому, влиянием доменной структуры ферромагнитного слоя, наличие которой не учитывается в теоретических работах. Одним из немногих экспериментов, ще было изучено воздействие изменения доменной структуры F-слоя на критическую температуру SF- структуры, является работа Kinsey et.al. [21]. Авторы исследовали Nb/Co бислой в слабом магнитном поле, приложенном в плоскости структуры. Изменяя поле в пределах ±80 кА/м при температуре « 5.4 К близкой к Тс бислоя они получили два положительных пика критического тока справа и слева от нуля поля, при этом в нулевом поле образец находился в нормальном состоянии. Сравнение результатов этого эксперимента с измерениями намагниченности бислоя в различных внешних полях показывает, что максимумы соответствуют значениям коэрцитивных полей слоя кобальта. Это означает, что величины критической температуры (и критического тока) максимальны при максимальном числе доменов и доменных границ в ферромагнитной плёнке, то есть сверхпроводимость .S-слоя увеличивается в области доменных границ.

Ещё одним фактором, обеспечивающим влияние ферромагнетика на сверхпроводник является возникновение абрикосовских вихрей в сверхпроводящем слое ¿^-структуры под действием магнитных моментов и рассеянного поля доменной структуры ферромагнетика даже в отсутствие внешнего магнитного поля. На возможность появления такой спонтанной вихревой фазы в сверхпроводнике недавно обратили внимание авторы работ [14, 15, 22], теоретически и экспериментально исследующие ферромагнитные сверхпроводники, т.е. соединения, в которых сверхпроводимость возникает в присутствие слабого ферромагнитного упорядочения.

Начало другому классу явлений, связанных с сосуществованием сверхпроводимости и ферромагнетизма в многослойных структурах, положила экспериментальная работа Wong et.al. [6], в которой была обнаружена немонотонная зависимость критической температуры Тс V/Fe-многослоек от толщины слоя железа при фиксированной толщине ванадия. Объяснение этого эффекта, обусловленного с возникновением пространственных осцилляций сверхпроводящего параметра порядка (сверхпроводящей волновой функции) в ферромагнетике вблизи SF-границе содержится в работах [3, 4], более того в работе [3] предсказаны также и другие необычные следствия возникновения наведенной сверхпроводимости в ферромагнитных слоях Л'/"'-структур, связанные с сосуществованием сверхпроводимости и магнетизма, такие как возвратная сверхпроводимость и осцилляции критического тока 1, от температуры и толщины dp ферромагнитных слоёв. Как показано в работах [8, 9, 23, 24] на зависимости Tr(dp) должен возникать минимум, поскольку подавление сверхпроводимости в S-слое зависит немонотонно от толщины F-слоя. Наибольшее подавление параметра порядка, соответствующее минимуму Tc(dp) должно наблюдаться при толщине ферромагнетика близкой к четверти периода ос-

цилляций параметра порядка Ас, [23]. При толщине Аех/4 вблизи ЙТ-границы находится нуль параметра порядка, поскольку граничное условие для его производной, = 0, обусловливает существование пучности параметра порядка на свободной границе ферромагнетика. При несколько большей или меньшей толщине ферромагнетика значение параметра порядка на ^-границе ненулевое, и, таким образом, подавление сверхпроводника ферромагнетиком меньше. Было показано также, что в определённом интервале толщин между соседними сверхпроводящими слоями возникает разность фаз ф = ж волновой функции сверхпроводящего параметра порядка.

Последовательные экспериментальные исследования на многослойных ЗР -структурах, в целом, дали противоречивые результаты [7, 8, 24], связанные с возможностью объяснения немонотонности Т, от толщины и магнетизма ферромагнитного слоя другими причинами, например, исчезновением магнетизма в достаточно тонких (менее 1 нм) слоях ферромагнетика (эффект "с1еас1" -слоя). Однозначные доказательства существования осциллирующего знакопеременного параметра порядка были получены лишь недавно при исследовании джозефсоновских БРЯ структур [5] и в ходе туннельных измерений плотности электронных состояний в ¿Т-бислоях [25].

В 2001 году в лаборатории ИФТТ РАН, в которой выполнялась настоящая работа, был обнаружен переход в ж- состояние [5], который объяснял немонотонную возвратную температурную зависимость критического тока джозефсоновско-го ЗРЯ контакта. Наличие спонтанной разности фаз тг позднее было подтверждено непосредственно при исследовании интерференционных явлений в сетках ЗРЗ контактов [26] Экспериментальные исследования джозефсоновских характеристик ЗРЗ переходов производились на тонкопленочных сэндвичах ИЪ — СиЛ¡V?., — МЬ, в которых в качестве ферромагнитной прослойки были использованы сплавы с х вблизи 0,5 и температурой Кюри ТСцгге=20-150 К. Слабый ферромагнетизм Ои/М сплавов, имеющий место в этом интервале концентраций, был важен прежде всего, в связи с необходимостью получения сплошных и однородных Г-слоев, толщина которых была бы сравнима с длиной затухания пар В слоях из классических ферромагнитных металлов (Со Ре Nг) длина затухания пар очень мала (менее 1 нм), поэтому приготовление тонкопленочных джозефсоновских ЗРЗ переходов с использованием этих металлов затруднительно.

Переход в 7г-состояние проявляет себя также в аномальной осциллирующей зависимости критического тока ЗРЗ сэндвича от толщины Л у ферромагнитного слоя. В связи со знакопеременностью параметра порядка в ЗРЗ контакте с толщиной ферромагнетика ЛР близкой к половине длины волны осцилляции А, , /2 знаки параметра порядка на сверхпроводящих берегах будут разными, т.е. разность фаз на переходе будет равна ж в отсутствие внешнего поля и тока. Физическая причина пространственных осцилляции параметра порядка связана с обменным расщеплением электронных подзон с разными направлениями спинов. Электронный транспорт через ¿^-границу сопровождается прохождением куперовской пары в

сверхпроводник и отражением дырочного во¡буждения обратно в ферромагнетик (процесс андреевского отражения), при >том налетающий на гранит' электрон изменяет не только свой заряд, но также и свой спин, т.е. оказывается на ветви электронного спектра, принадлежащей другой спиновой подзоне, которая отделена по оси импульсов на величину = Ь,I ¡- (где /:',, - шергия обменного расщепления, а иI - скорость Ферми электронов в ферромагнетике) от ветви с противоположным спином [27]. В результате, в ферромагнетике возникает андреевское связанное состояние с ненулевым импульсом. В реальных тонкопленочных стру ктурах осуществляется ДИффу зиоппый (грязный) случай, заметно усложняющий описанную выше картину [4, 28], однако качес1венно все вьшо, 1ы ислакися справе.ишвыми и в "грязном" пределе.

Таким образом, до последнего времени независимо проводилось два типа экспериментов: продольные (вдоль слоев) эксперименты на многослойных SF - структурах, свямнные с измерениями немонотонной зависимости Т, от толщины ферромагнитного слоя, и джозефсоновские измерения (поперек слоев) по наблюдению перехода в "-состояния. Одной из важных задач настоящей работы было найти соответствие между двумя указанными типами жепериментов.

Глава 2. (Экспериментальные методы исследования и технология приготовления пленарных ЯР- структур) содержит описание технологии приготовления образцов и экспериментальных методик, а также результаты исследования магнитных характеристик пленок слабоферромагнитных сплавов.

Для изготовления и исследования образцов в работе использовались современные технологические и жепериментальные методы, такие как: тонкопленочные методики йС -магнетронного и /'Р- диодного распыления, фото- и шектроннолу-чевая литография, техника автоматизированных низкотемпературных измерений. Магнитные и резистивные измерения проводились в диапазоне температур 1 2 — ЗООА' с помощью высокочувствительной цифровых устройств. Сбор и обработка экспериментальных результатов производились с использованием персонального компьютера.

В ходе выполнения диссертации были приготоатены планарные Л' /-"-структуры различного типа и конфигурации микронные, с минимальным р<нмером структуры ~ 5 мкм. и субмпкрошше с размерами до 0.2 мкм В качестве с верх прово дт ги ка (5-с;юев) исноль ¡опадем юнкоиленочный ниобий с юлщиной 01 7 до 30 нм и 1ем-пературой перехода отдельного слоя, соответственно, от 6.5 до 8.5 К В качестве слабого ферромапгитного материала (/"-слоев) использовался сплав Си с

.1=0.52-0.57 и температурой Кюри 30-200 К, а также сплав РЛ|>ч>^г[)т. Температура Кюри плёнок Р(11 < сильно зависела от их толщины в интервале 20-100 нм и составляла 4-12 К. В качестве масок при изготовлении микроструктур с помощью электронной литографии и ионного травления использовались слои алю\ги-ния, которые удалялись после приготовления стру ктур. Наиболее простыми исследуемыми образцами были двуслойные .Я^-полоски с миллиметровыми размерами, резистивные и сверхпроводящие свойства которых измерялись с помощью 4-х кон-

тактов, прикрепляемых вдоль полоски с помощью ультразвукового бондера или с помощью ультразвуковой пайки оловянным припоем. Структуры с меньшими ра з-мерами изготавливались с помощью оптической и электронной литографии и имели четыре тонкопленочных вывода для надежной реализации четырехточечной схемы измерений. Для холловских измерений изготавливались мостики крестообразной формы. В микромостиках на эффекте близости (мостиках Мерсеро-Нотариса) область сверхпроводящего ниобиевого мостика пересекалась в центральной части островком ферромагнетика. Поскольку такие 5' — 5 Г - 5' переходы использовались, в частности, для исследования влияния доменной структуры ферромагнетика на магнеторезистивные характеристики Л'/-"-кон тактов, латеральные размеры исследуемых 5/■'-областей уменьшались вплоть до 0.2 мкм, т.е. размеров, сравнимых с размерами ферромагшгпгых доменов. Были также приготовлены цепочки мостиков Мерсеро-Нотариса, т.е. структуры с чередованием субмикронных 5' - .5Т участков мостика.

Магнето-транспортные измерения проводились стандартным четырёх 1 очечным методом на автоматизировашюй установке. Использование различных держателей образца позволяло изменять направление приложенного магнитного поля относительно плоскости образца и направления измерительного тока. Измерения были автоматизированы и результаты выводились на компьютер. Эксперименты проводились в основном при низких температурах в криостате в магнитных полях до 7 кЭ. Криостат располагался внутри жранированной комнаты и был дополнительно экранировал пермаллоевым экраном для \с 1 ранеиия высошчастшых и низкочастотных электромагнитных помех в рабочей области. Электрические вводы в криостат осуществлялись через широкополосные аналоговые фильтры. Все ло, л. также использование современных высокототш.тх вольтметров позволило производить измерения напряжения с точностью порядка 11) нВ.

Исследование магнитных характеристик пленок. Одним из ьалшых липок работы было исследование магнитных и резистивных характеристик, а также структуры ферромагнитных плёнок из сплавов Си/.Х / и Р/1/Гс. Магнитные исследования проводились магнеторезистивным методом (с помощью "аномального эффекта Холла"), а также с помощью сквид-магнетометра. Как указывалось выше для исследования эффектов, связанных с возникновением знакоперемешюго сверхпроводящего пароме фа порядка вили зи б'/^-зранииы. необходимы быди сдои слабого ферромагнетика с низким обменным полем /-,,,. В первых успешных экспериментах на джозефсоновских .$Т5' сэндвичах [5, 26] в лаборлюрии сверхпроводимоч и ИФТТ РАН были использованы сплавы Си: ,. с х вблизи 0.5 н температурой Кюри Т( „,,,=20-150 К. Слабый ферромагнетизм был важен в связи с необходимостью получения сплошных и однородных Г-слоев, толщина которых была бы сравнима с длиной затухания пар. Некоторые данные о магнитных свойствах массивных Си V*-сплавов известны из литературы. Однако, наблюдаемые свойства тонких пленок заметно отличались от описанных в публикациях харшиерисгик объемных материалов. Для измерения температурной и толшинной зависимостей

магнитного момента и точек Кюри тонкопленочные образцы ферромагнетиков, выполненные в виде холловских мостиков, помещались в криостат перпендикулярно полю. Измерялась, зависимость 1#ац от приложенного магнитного поля Я в интервале ±700 Э. Экстраполяцией к нулевому полю определялась величина остаточного Холловского напряжения Vo, связанная с намагниченностью М ферромагнитной пленки. Подробные магнитные измерения Си/N г- пленок разного состава и толщины были проведены также на сквид-магнитометре в университете г. Лейден. Они позволили определить абсолютные величины намагниченностей в пленках. Согласно полученным результатам магнитный момент на атом mat для пленок Nix увеличивается с 0.10 до 0.12 /¿в, при изменении от х = 0 52 до х = 0.59, т.е. приблизительно как 0.01 цв/at %Ni. При этом Тсипе возрастает от 30 до 200 К.

Аналогичные исследования были проведены и для плёнок на основе сплава Pd/Fe для состава Pri099Реош, с целью получения ферромагнитных слоев с предельно малыми значениями температуры Кюри. Для этих пленок была обнаружена сильная зависимость ТСиГ1С от толщины в интервале 20-50 нм, которая не наблюдалось для Cu/Ni-пленок. Это, по-видимому, связано с различными механизмами спинового упорядочения в Cu/Ni и Pd/Fe. За счет сильной спиновой поляризации палладия ферромагнетизм в сплавах Pdi-jFe, при температурах жидкого гелия возникает при концентрациях железа менее 1 %, т.е. при расстояниях между железными атомами более 1 нм [29]. В Cu/N¿-сплавах граница между парамагнитным и ферромагнитным состояниями при низких температурах проходит в области концентраций 50 %, т.е. взаимодействие никелевых атомов в сплаве Cu/N? гораздо более близкодействующее, что определяет трехмерное магнитное поведение Си/Nv-пленок вплоть до толщин менее 1 нм.

В Главе 3 представлены экспериментальные результаты, полученные на различных SF-структурах, а также их обсуждение.

Эффект близости в Я /-"-структурах и осцилляции критической температуры Tr(dF) Немонотонная зависимость критической температуры Тс многослойных .S'F-структур от толщины F-слоев является известным следствием возникновения знакопеременного наведенного параметра порядка в ферромагнетике вблизи SF-границы [4]. Как было указано в Литературном обзоре, целенаправленные экспериментальные исследования этого эффекта, начатые в 1991 г. в работе [7], дали довольно противоречивые результаты, и только наблюдение перехода в и-состояние джозефсоновских SFS переходов, выполненное в 2000-2001 тт. в ИФТТ РАН, позволило надежно подтвердить существование неоднородного знакопеременного сверхпроводящего состояния в ферромагнетике. В наших исследованиях мы имели возможность непосредственно сравнить зависимость Tc(df) для SF-бислоев с результатами, полученными параллельно на SFS сэндвичах [30] для структур, которые приготавливались из одних и тех же материалов. В качестве ферромагнитного слоя в обоих случаях использовались пленки сплава Си о ^Ni о -т с температурой Кюри T(-mif. около 150 К. Технология приготовления использованных в нашем эксперименте [31] бислоев, а также состав Nb- и CuNi-споеъ пол-

Рис. 1: (а) зависимость критической температуры двуслойной структуры N1) — Сщ пЛ'го 57 от толщины ферромагнитного слоя Сплошной линией показана теоретическая зависимость для параметров близких к экспериментальным [23]. (Ь) и (с) геометрия исследованных мостиковых структур.

ностью соответствовали двум нижним слоям Л/Ъ - Сгц, иМ?и .-7 - N1) сэндвичей, использованных в 5^5-измерениях. После проведения предварительных экспериментов, целью которых было выяснение оптимальных толщин сверхпроводящего ниобиевого слоя для наблюдения искомой немонотонности, нами были проведены измерения толщинной зависимости критической температуры ЯР- структур Т, {(1р) в диапазоне толщин ферромагнетика 0 - 20 нм при при фиксированной толщине йуь = 11 нм ниобиевого подслоя близкой к длине когерентности в тонкоплёночном ниобии (£ь ~ 7 — 8 нм). В общей сложности было исследовано около сорока образцов. Результаты этих измерений представлены на рисунке 1а. Тс бислоя изменялась в интервале 3-7 К при изменении толщины Р-слоя от 1 до 20 нм. Легко видеть что критическая температура проходит через минимум при толщине г/1 =4-5 нм, которая должна соответствовать четверти периода пространственных осцилля-ций Асх. С другой стороны, толщина йр^2=15 нм, при которой наблюдался второй температурный 0-7г-переход в ЯРЯ сэндвиче [30], должна быть равна |А(Х. Таким образом, из обоих типов экспериментов следует один и тот же период осцилля-ций параметра порядка в сплаве Си$ равный 17 нм. Сплошная линия на

рисунке представляет результаты детального теоретического анализа полученных нами результатов, который был выполнен в работе [23]. Для параметров близких к экспериментальным наблюдается хорошее согласие.

Исследование структур с 5 - ЯР - ,9 мостиками Мерсеро-Нотариса. Структуры типа мостиков Мерсеро-Нотариса, в которых сверхпроводимость ниобиевой полоски на коротком участке подавлялась островком ферромагнитного Си/Иг (Рис. 1в,с), изготавливались как с помощью оптической, так и электронной литографии. Область "слабого" ¿^-бислойного участка варьировалась в широких пределах (от 10 х 40 мкм до 0.2 х 0 5 мкм). При субмикронных размерах ~ 0 2 мкм

250

200

Е JZ 150

К 100

5 nm d 9 3 r,m

о о < H (kOet

0 75 ^ 100

Рис. 2: (a) зависимость сопротивления от магнитного потя и (h) резиспшвные переходы одномерных S - .S'F - - S- цепочек изображенных на рис le I- \'=30. 2- К—70; 3- N=100 (X - число - S - S F- - периодов).

островки ферромагнетика были, фактически, монодоменными, а соответствующие S - S F - S переходы проявляли ярко выраженные джозефсоновские свойства На рисунке 2а показаны осцилляции сопротиатения такого мостика в поле перпендикулярном плоскости стру ктуры. ! 1аблюдаемый гистерезис связан с перемагни-чиванием F-слоя Нам удалось связать такие мостики (т.е. соседние S F -участки в одномерной цепочке S - S h — S' переходов) в температурной области близкой к Т, ниобия с помощью квазичастичной инжекции в сверхпроводящие промежутки, свободные от ферромагнетика. Для получения цепочек мостиков участок исходного .S'F-оислоя шириной 0.2 мкм на длине 50 мкм "нарезайся" так, чтобы создать S"F'-мостики, разделенные участками Nb пленки. Поскольку длина ферромагнитного островка L[=0.5 мкм оставалась постояшюй, мы изменяли расстояние между островкам, меняя их число Л' в структуре. На рисунке 2Ь показаны результаты для трех структур с величинами сверхпроводящих промежутков /,s=l; 0.5 и 0.2 мкм и соответственно с числом .S'f'-островков \'=30; 70 и 100. Кривые резистив-ных переходов приведены в координатах 7",'ТЧ\ поскольку критические температуры свободных участков Nb-пленок несколько различались в связи с тем. что было невозможно контролировать точно момент окхигчатпгя травления Си 'Л /-слоя, и ни-обиевые слои несколько отличались по толщине и критической темперагу ре. Кроме указанного резистивного перехода ниобиевых участков и довольно размытого ре-зистивного перехода 9F -островков, начиная с I мкм, в средней части перехода развивается новая ступенька, связанная с сопротивлением сверхпроводящих промежутков. которое обусловлено неравновесной инжекцией квазичастиц При 1^=0.2 мкм этот вклад становится доминирующим. Оценка глубины проникновения неравно вес пых ква зичастиц в сверхпроводящий ниобий ( дтшгы релаксации зарядового разбаланса Xq) при температурах близких к '/'х'' дает величину сравнимую с 0.2 мкм. В дальнейшем планируется использовать разработанные цепочки субмикронных мостиков в двух типах экспериментов. Прежде всего планируется проверить

синхронизацию джо¡ефсоновской генерации в цепочке за счет квазичастичной ин-жекции [32] ita блюдет км гигантских ступеней Шапиро Такие исследования могут быть полезны при создании новых типов эталонов Вольта. Кроме того, поскольку поток квазичастиц из области монодоменного /''-островка частично поляризован, планируется изучетшс магиеторезистивных >ффектов в таких цепочках. В случае антипарал.тельного выстраивашм намагниченностей в соседних /-'-островках, например, с помощью магнито-силового зондового микроскопа [13], поток неравновесных сггин-поляризоватшх квазичастиц должен заметно уменьшать подавление сверхпроводимости в области соседнего F-островка, с противоположным направлением лама) ниченпоо и. Таким образом, сопротивление цепочки при параллельном и антипараллельном расположении намагниченностей соседних F-областей должно существенно отличаться

Исследование джозефсоновских SF — F — Я F мостиков, приготовленных с помощью фокусированного ионного пучка

Кроме ПЛапарпых ^'F структур, приготовленных счаггдартытий мещыми »лек-троннон и фотолитографии, совместно с группой Краснова из Чалмерского университета (Швеция) была реализована новая технология приготовления субмикронных планарных джозефсоновсмгх S'FS'-псрсходов, основанная на использоватга фок>-енровагпгого ионного пучка (FIB) [34]. Сущность метода заключалась в том, что при помощи фокусирова1пюго (порядка 10 нм) пучка ионов Ga делалась узкая (того же порядка, что и пучок) щель в верхнем ниобиевом слое бислойной S'/-'-структуры ХЬ/С'Ю it V'n ->f. Столь короткий промежуток был достаточен для того, чтобы получить сметную связь межту .S'-берегами за счет эффекта близости через слабоферромагнитный Си/ У/ слой. Были приготовлены и исследованы как S - F - S ( \'Ь — Си У / — .V Ь). так и 5 — 5" — S (Xb — Xb/C'u.Xi — Л 1>) перехода, в последних слой ниобия прорезался не до конца. Структуры проявляли классическую фраунго-феровскуа» ^aiinoi.MOL i ь кришческош юка oi mui миihuiо пиля, чю спиде! е.п.сi но-вало о высокой однородности реза. 11утем изменения птубшгы реза возможно было получать переходы с характеристическим джозефсоповским напряжением I, Н„ в интервале от 0.5 мВ до 1 мкВ.

Исследование в¡аимодсйствия ферромагнитных слоев через тонкий ферромагнетик в F4F сэндвиче. Обнаружение спонтанной вихревой фазы.

Как было иредскамно в работах [12, 19]. критическая температура трехслойной FSt- структуры должна сильно зависеть от взаимного направления намагниченностей в F-сломх, ecjm шлщина сверчщхжодтцеш слом норидка длины KOiepem-ности: Т, должна быть минимальной при антипараллельных намагниченностях и максимальной при параллельных. В этих теоретических работах описывается поведение структур с монодоменными слоями ферромагнетиков. Задачей наших исследований было наблюдетпге подстройки реальных доменных структур t -слоев h SF сэндвичей в экспериментах по измерению сверхпроводящего перехода (продольного сопротивления) таких многослойных счрумур в Mai китом ноле, приложенном: воль слоев. На рисунке 3 показано изменение сопротивления AR(H) в области ре-

-4 -2 0 2 4

Н (кое)

Рис. 3: Зависимость сопротивления от магнитного поля в планарной Т7,?/7-структуре, связанная с влиянием доменной структуры ферромагнетика

зистивного сверхпроводящего перехода макроскопической (3 х 3 мм2) трехслойной тонкопленочной полоски Сщ 43^057 - МЬ - Сщ иЛ^о 57 с толщиной ниобиево-го слоя 12 нм и толщиной Си/А?>-слоев 18 нм при перемагничивании внешним продольным магнитным полем. АЯ(Н) представлена без учета зависимости /?(//), связанной с непосредственным подавлением сверхпроводимости полем в тонком сверхпроводящем слое Легко видеть, что поведение зависимости на первом проходе (начальной кривой намагничивания) существенно отличается от поведения при последующих проходах. Исходное состояние ГЯР многослойки более высоко-резистивнос (т.е. имеет более низкое значение Тс), поскольку доменные структуры в ферромагнитных слоях возникали исходно при температуре Кюри Си0 кз Л^'о 57-сплава (~ 150 К), которая существенно выше температуры сверхпроводящего перехода FSF-cэндвичa (~ 2 2 К) и не учитывали взаимодействие ферромагнитных и сверхпроводящего слоя. Для того, чтобы изменить это "замороженное" состояние (преодолеть сухое трение) и перейти к взаимному расположению доменных структур в двух ферромагнитных слоях, выгодному для разделяющего их сверхпроводника, необходимо было приложить поле близкое к коэрцитивному (~ 0.6 кЭ для пленок Си0 цЫц 57). Для сверхпроводящего состояния, образованного ку-перовскими электронными парами с противоположными спинами, выгодно иметь с двух сторон от сверхпроводящего слоя ферромагнитные домены с противоположными направлениями намагниченности. Поскольку характерные размеры доменов в размагниченных Си/N-1 -пленках по нашим оценкам не превышают 0.5 мкм, взаимные подвижки доменных структур в соседних ферромагнитных слоях в процессе перемагничивания, очевидно, легко могут достигаться, что приводит к заметному понижению сопротивления FSF, -сэндвича.

В экспериментах на трехслойных FSF и бислойных ¿^-структурах также был

Рис. 4: (а) Волыпамперные характеристики .9—— 5 мостика при температурах 3 47, 3.2, 2 89; 2 66, 2.6 и 2 49 К, (Ь) пики магнетосопротивления, обусловленные возникновением вихревого состояния.

обнаружен еще один магнеторезистивный эффект, проявляющийся в заметных положительных пиках сопротивления в области коэрцитивных полей ±Нсое, (рисунки 3, 4Ь). Это явление было подробно исследовано нами на макроскопических мостиках Мерсеро-Нотариса с размерами ¿'/'"'-области с подавленной сверхпроводимостью 10 х 40 мкм2 ( 4Ь). Пики сопротивления наблюдались в интервале температур Т* < Т < 'Гг близком к температуре Тс сверхпроводящего перехода 5Т-бислоя. Как видно на рисунке 4а выше этой температуры Т* = 2 64 К критические токи мостиков резко падают и на вольтамперных характеристиках появляются ветви постоянного дифференциального сопротивления, соответствующие режиму течения магнитного потока. Ниже Т* поведение типично для длинных сверхпроводящих мостиков, в которых диссипация обеспечивается последовательным возникновением линий проскальзывания вихрей, возникающих на краях мостика. Неожиданный на первый взгляд режим течения потока при высоких температурах в нулевом поле легко может быть объяснен наличием "спонтанной" вихревой фаш в сверхпроводнике, связанной с рассеянным магнитным полем в областях доменных стенок ферромагнитной пленки. В интервале температур Т* < Т < Тс поле доменных стенок способно полностью проникнуть в сверхпроводящий слой и образовать цепочки абрикосовских вихрей, ответственных за дополнительный механизм рези-стивности. Возникновение такой спонтанной вихревой фазы для "сверхпроводящих ферромагнетиков" и 5F-мнoгocлoйныx структур теоретически обсуждалось в работах [14, 35]. Вклад сопротивления течения потока максимален в облпсти коэрцитивных полей, где количество доменных стенок максимально.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

• В. В. Рязанов, В. А. Обознов, А. С. Прокофьев, С. В. Дубонос. Эффект близости и спонтанная вихревая фаза в планарных ЙТ-структурах. Письма в ЖЭТФ, 77, 43 (2003)

• V. V. Ryazanov, V. A. Oboznov, A. S. Prokofiev, V. V. Bol'ginov, А. К. Feofanov. Supercondactor- Ferromagnet- Supercondactor 7г- junctions. J Low Temp Phys , 136, 385 (2004)

• V.M. Krasnov, V. V. Ryazanov, V. A. Oboznov, A. S. Prokofiev, O. Ericsson, S. Intiso, and P.Delsing. Planar SFS Josephson Junctions Made by Focused Ion Beam Etching Physica C, 418/1-2, 16-22 (2004)

Цитированная литература:

[1] Ларкин А.И., Овчинников Ю.Н. ЖЭТФ, 47, 1136 (1964).

[2] Fulde P. and Ferrel R.A. Phys. Rev., 135, A 550 (1964).

[3] Буздин А.И., Булаевский Л.Н., Панюков С. В. Письма в ЖЭТФ, 35, 147 (1982).

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

[5] Ryazanov V.V., Oboznov V.A., Rusanov A.Yu., Veretennikov A.V., Golubov A.A., and Aarts J. Phys. Rev. Lett., 86, 2427 (2001).

[6] Wong H.K., Jin B.Y., Yang H.Q., KettersoJ.B., and Hilliard J.E. J. Low. Temp. Phys., 63, 307 (1986)

[7] Jiang J.S., Davidovic D., Reich D.H., and Chien C.L. Phys Rev. Lett, 74, 314 (1995).

[8] Aarts J., Geers J.M.E., Bruck E., Golubov A.A., and Coehoom R. Phys. Rev. B, 56, 2779(1997).

[9] Lazar L., Westerholt К., Zabel H., Tagirov L.R., Goryunov Yu.V., Khaliullin G.G., and Garifiillin I.A. Phys. Rev. B, 61, 3711 (2000).

[10] Baibich M.N., Broto J.M., Fert A., Nguyen van Dau F., Petroff F., Etienne P., Creuzet G., Friedrich A., Chazeles J. Phys. Rev. Lett., 61, 2472 (1988).

[11] Grunberg P., Schreiber R., Pang Y., Brodsky M.B., and Sowers H. Phys. Rev. Lett, 57, 2442 (1986)

[12] Tagirov L.R Phys. Rev Lett, 83, 2058 (1999)

[13] Buzdin A.I., and Bulaevskii L.N. Sov. Phys. JETP, 67B, 576 (1987)

[14] Sonin E.B. Phys. Rev B, 66, 136501-1 (2002)

[15] Laiho R., Lahderanta E., Sonin E.B., and Traito K.B. Phys. Rev. B, 67, 144522-1 (2003)

[16] Parkin S.S.P. Phys. Rev. Lett, 71, 1641 (1993).

[17] Gijs M.A.M. and Bauer G.E.W. Adv. Phys., 46, 285 (1997).

[18] de Gennes PG. and Sarma G. J. Appl Phys 34, 1380 (1963); Hauser J J., Theuerer H.C., and Werthamer N.R. Phys. Rev. 142, 118 (1966), Заварицкий H.B., Григорьев B.H. Письма в ЖЭТФ 14, 112 (1971).

[19] Buzdin A.I., Vedyayev A.V., and Ryzhanova N.V., Europhys Lett, 48, 686 (1999).

[20] Gu J.Y., You C.-Y., Jiang J.S., Pearson J., Bazaliy Ya.B., and Bader S.D. Phys. Rev. Lett., 89, 267001-1 (2002)

[21] Kinsey R.J., Bamell G., Blamire M.G. Trans, on Appl. Supcond, 11, 904 (2001)

[22] Sonin E.B. and Feiner I. Phys. Rev. B, 57, 14000 (1998)

[23] Fominov Ya.V., Chtchelkatchev N.M., and Golubov A.A. Phys Rev B, 66, 0145071 (2002)

[24] Muhge Th., Garifyanov N.N., Goryunov Yu.V., Khaliullin G.G., Tagirov L.R., Westerholt К., Garifullin I.A., and Zabel H. Phys Rev Lett, 77, 1857 (1996)

[25] Kontos T, Aprili M., Lesueur J., and Grison X Phys Rev Lett, 86, 304 (2001)

[26] Ryazanov V.V., Oboznov V.A., Veretennikov A.V., and Rusanov A.Yu. Phys Rev. B, 65, 020501-1 (2002)

- [27] de Jong M.J.M. and Beenakker C.W.J. Phys. Rev. Lett. 74, 1657 (1995)

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

[29] van Leeuwen D.A., van Ruitenbeek J.M., Shmid G., de Jongh L.J. Phys. В 194-196, 263 (1994).

[30] V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.S. Prokofiev, V.V. Bolginov, and A.K. Feofanov. Journ Low Temp. Phys. 136, 385 (2004).

[31] Рязанов В.В., Обознов В.А., Прокофьев A.C., Дубонос С.В. Письма в ЖЭТФ, 71, 43 (2003)

[32] Каплуненко В.К. Физ. Низк Темп. 12, 382 (1986).

[33] Вдовичев С.Н., Грибков Б. А., Гусев С.А. и др. Нанофизика и наноэлектроника. Материалы симпозиума, Нижний Новгород, 25-29 марта 2005 г. т.1, с.52.

[34] Krasnov V.M., Ericsson О., Intiso S., Delsing P., Oboznov V.A., Prokofiev A.S., Ryazanov V.V. Physica С 418, 16 (2005).

[35] Erdin S., Kayali A.F., Lyuksyutov I.F., and Pokrovsky V.L., Phys. Rev. 5 66,014414 (2002).

i !

i i i

)

(

И о 6 8 5

РНБ Русский фонд

2006-4 8444

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Прокофьев, Андрей Сергеевич

Введение.

1 Литературный обзор

1.1 Магнетосопротивление и многослойные

З-Р-структуры.

1.2 Влияние доменной структуры ферромагнетика на характеристики многослойных ^.Р-систем и сверхпроводящих ферромагнетиков

1.3 Эффект близости в ^.Р-системах.

1.3.1 Немонотонное поведение сверхпроводящего параметра порядка в ферромагнетике вблизи ^.Р-границы.

1.3.2 7г-состояние в многослойных й'-Р-структурах и 7г-связь в джозефсоновских SFS- сандвичах.

2 Экспериментальные методы исследования и технология приготовления планарных SF- структур

2.1 Тонкопленочная технология

2.1.1 Фотолитография.

2.1.2 Электроннолучевая литография.

2.1.3 Приготовление 5.Р-структур.

2.2 Методика эксперимента.

2.3 Исследование магнитных характеристик CuxNii-x и Pd0.99Fe0.01 ферромагнитных слоёв.

3 Экспериментальные результаты и их обсуждение

3.1 Пространственные осцилляции сверхпроводящего параметра порядка. Осцилляции критической температуры Тс.

3.2 Планарные SF- структуры. Их свойства и особенности поведения

3.3 Исследование взаимодействия ферромагнитных слоев через тонкий сверхпроводник в FSF сэндвиче. Обнаружение спонтанной вихревой фазы

Введение диссертация по физике, на тему "Когерентные состояния в планарных структурах сверхпроводник-ферромагнетик"

В течение почти ста лет после открытия сверхпроводимости исследование фундаментальных и прикладных аспектов этого явления сделалось большой самостоятельной областью науки. В конце прошлого века началось активное исследование эффектов в гетероструктурах, основанных на свойствах различных классов материалов: металлов, сверхпроводников, полупроводников и магнетиков. В последнее время стало популярным направление, связанное с изучением сосуществования сверхпроводимости и ферромагнетизма. Экспериментальные и теоретические исследования посвящены как сверхпроводящим соединениям с магнитными слоями (ферромагнитным сверхпроводникам или сверхпроводящим ферромагнетикам), так и искусственным многослойным структурам из сверхпроводящих и ферромагнитных металлов (SF-структурам), в которых ферромагнитные (F-) и сверхпроводящие (S-) слои взаимодействуют друг с другом через границу раздела.

Долгое время считалось, что сверхпроводимость и магнетизм не могут сосуществовать вместе в силу различной спиновой упорядоченности, но данные экспериментов и новые теоретические модели последних лет показали возможность и нетривиальные следствия такого сосуществования. В частности, появление сверхпроводимости в ферромагнетике приводит к необычному осциллирующему знакопеременному поведению сверхпроводящего параметра порядка, связанному с пространственными осцилляциями сверхпроводящей волновой функции [1, 2, 3]. Следствием знакопеременности параметра порядка в многослойных SF- структурах являются осцилляции критической температуры и возникновение 7г-состояния, характеризующегося разными знаками параметра порядка на соседних 5-слоях [3,4]. '7г-контакт' в SFS структуре был предсказан в [3] еще в 1982 году, однако попытки его реализации долгое время не были успешными [5, 6, 7, 8], главным образом, потому, что экспериментаторы, использовавшие сильные ферромагнитные материалы типа Fe, Ni, Со, имели массу проблем с тем, чтобы просто получить качественный (без 'закороток') джозефсоновский SFS-контакт или SF- многослойку, поскольку приходилось делать чрезвычайно тонкие слои ферромагнетика порядка 2-3 атомных слоев, чтобы не подавлять сверхпроводимость. Только в 2000 году SFS 7г-контакг был получен в Лаборатории сверхпроводимости ИФТТ [9] при использовании слабого ферромагнитного сплава CuxNi\-x.

Одной из важных задач диссертации являлось сравнение результатов, полученных на джозефсоновских SFS сэндвичах с результатами исследований эффекта близости на бислойных SF-структурах, начатых в 1995-2001 гг. в нескольких научных центрах [5, 6, 10, 11]. В настоящее время предложено несколько возможных направлений использования 7г-контакта в цифровой и квантовой логике. Это стимулировало продолжение исследований явлений, связанных с пространственными осцилляциями сверхпроводящего параметра порядка в SF- структурах, в том числе и в настоящей работе.

Наряду с 7г-состоянием и другими родственными эффектами вблизи SF-границ, не меньший интерес в процессе выполнения диссертации представляли также и другие эффекты взаимодействия сверхпроводимости и ферромагнетизма в SF- системах. Одним из стимулов для активного исследования маг-неторезистивных явлений в структурах с ферромагнитными слоями явилось обнаружение, а затем и начало реального использования гигантского магне-тосопротивления в многослойных структурах из ферромагнетиков и нормальных металлов [12, 13], а также предсказание эффекта спинового клапана для FSF-систем [14]. Важной научной и практической проблемой изученной в ходе выполнения диссертационной работы являлось также исследование влияния реальной доменной структуры ферромагнетика на свойства «SF-CTpyioyp и обратного влияния сверхпроводника на магнитную структуру ферромагнетика [15, 16, 17].

Таким образом, цель данной работы - изучение различных аспектов взаимодействия сверхпроводимости и магнетизма, в том числе магнеторезистив-ных и джозефсоновских эффектов, а также явлений обусловленных пространственными осцилляциями сверхпроводящего параметра порядка вблизи границ раздела сверхпроводников и ферромагнетиков (.SF-границ). В диссертации также исследовано влияние реальной доменной структуры ферромагнетика на свойства SF-струкгур.

В качестве сверхпроводника в работе использовался Nb как наиболее удобный металл с высокой критической температурой Тс = 9.2К, а в качестве магнитных слоев - ферромагнитные сплавы CuxNi\-x различной концентрации, обладающие тем преимуществом, что путем изменения концентрации х возможно было плавно менять температуру ферромагнитного перехода ТсиНе в широком диапазоне (20 — 120К) и, следовательно, изменять магнитные свойства слоев при криогенных температурах. Особенностью этой диссертации, отличающей ее от других работ, ранее выполнявшихся в ИФТТ РАН, было исследование планарных переходов с целью изучения продольных (вдоль слоев) магнеторезистивных характеристик. Изучавшиеся образцы представляли собой 5F-mocthkh для магнеторезистивных измерений и джозефсоновские структуры, приготовленные методом магнетронного распыления, с использованием фото- и электронной литографии для формирования геометрии структур.

Публикации. Содержание работы отражено в 3 статьях, опубликованных в реферируемых физических журналах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 3

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

• С помощью эффекта Холла и магнитных измерений исследованы магнитные характеристики тонких слоев слабоферромагнитных сплавов. Показано, что в интервале концентраций х — 0.53 — 0.57 температура Кюри сплавов Cu\-xNix плавно меняется от 60 до 150К и слабо зависит от толщины слоя в диапазоне толщин 5 — 30 нм. В сплаве Рс?о.99-^о.оь на" оборот, обнаружена резкая зависимость температуры Кюри от толщины пленки, что связано, с разными механизмами возникновения ферромагнитного упорядочения в сплавах Pd/Fe и Cu/Ni.

• Экспериментально исследовано немонотонное поведение критической температуры бислойной SF структуры при изменении толщины ферромагнитного слоя. Обнаружено, что минимум критической температуры Тс бислоя, связанный с пространственными осцилляциями наведенного сверхпроводящего параметра порядка в ферромагнетике, имеет место когда толщина ферромагнитного слоя близка к четверти периода пространственных осцилляций. Полученные значения периода пространственных осцилляций согласуются с результатами измерений, выполненных на джо-зефсоновских SFS сэндвичах.

• На основе развития современных технологических методов приготовлен и исследован ряд планарных джозефсоновских SF- структур, включая субмикронные мостики Нотариса-Мерсеро, полученные при помощи методов электронной литографии, и SFS переходы, изготовленные с использованием фокусированного ионного пучка (FIB). А также исследовано взаимодействие джозефсоновских S — SF — S мостиков в одномерной регулярной цепочке при инжекции квазичастиц через сверхпроводящие промежутки, разделяющие мостики. Такое неравновесное взаимодействие особенно сильно при достижении субмикронных (0.2 мкм) периодов цепочки.

• В FSF-сэндвичах обнаружено взаимодействие ферромагнитных слоёв через тонкий сверхпроводник, проявляющееся в увеличении критической температуры Тс трехслойной системы при оптимальной (выгодной для сверхпроводника) подстройке доменных структур в F-слоях.

• В FSF-сэндвичах, а также в бислойных S'F-cTpyiciypax обнаружено возникновение спонтанного вихревого состояния в сверхпроводящем слое, связанное с близостью доменной магнитной структуры ферромагнетика. Обнаружены значительные (до 100%) магнеторезистивные эффекты, обусловленные перестройкой доменной структуры.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

• В. В. Рязанов, В. А. Обознов, А. С. Прокофьев, С. В. Дубонос. Эффект близости и спонтанная вихревая фаза в планарных ^^-струюурах. Письма в ЖЭТФ, 77, 43 (2003)

• V. V. Ryazanov, V. A. Oboznov, A. S. Prokofiev, V. V. Bol'ginon, А. К. Feofanov. Supercondactor- Ferromagnet- Supercondactor тг- junctions. J. Low Temp. Phys., 136, 385 (2004)

В заключение мне хотелось бы поблагодарить моего научного руководителя В. В. Рязанова за всестороннюю поддержку и стимулирование моей работы, за внимательное и доброе отношение, за исключительное терпение и понимание. Отдельное спасибо В. А. Обознову за великолепное качество приготовленных им структур, Н. А. Степакову за помощь в проведении экспериментов и техническую поддержку, А. Н. Россоленко за помощь при работе с электронной литографией. Кроме того, хотелось бы поблагодарить С. В. Дубоноса за участие в приготовлении некоторых структур, а также множество ценных советов по работе и наладке электронной литографии в нашей лаборатории. И наконец, хотелось бы выразить свою искреннюю признательность всем сотрудникам нашей лаборатории и другим людям, вольно или невольно принимавшим участие в моей судьбе, за тот бесценный вклад в мою жизнь, который могут дать только хорошие человеческие отношения.

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Прокофьев, Андрей Сергеевич, Черноголовка

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

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

3. Буздин А. И., Булаевский Л. Н., Панюков С. В. Письма в ЖЭТФ, 35, 147 (1982).

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

5. Wong H. K., Jin B. Y., Yang H. Q., Ketterson J. В., and Hilliard J. E., J. Low. Temp. Phys., 63, 307 (1986)

6. Jiang J. S., Davidovic D., Reich D. H., and Chien C. L. Phys. Rev. Lett., 74, 314(1995).

7. Muhge Th., Garifyanov N. N., Goryunov Yu. V., Khaliullin G. G., Tagirov R. L., Westerholt K„ Garifullin I. A., and Zabel H. Phys. Rev. Lett., 77, 1857 (1996)

8. Strunk C., Surgers C., Paschen U., and Lohneysen H. V. Phys. Rev. B, 49,4053 (1994)

9. Ryazanov V. V., Oboznov V. A., Rusanov A. Yu., Veretennikov A. V., Golubov

10. A. A., and Aarts J. Phys. Rev. Lett., 86, 2427 (2001).

11. Aarts J., Geers J. M. E., Bruck E., Golubov A. A., and Coehoorn R. Phys. Rev.1. B, 56, 2779(1997).

12. Lazar L., Westerholt K., Zabel H., Tagirov L. R., Goryunov Yu. V., Khaliullin G. G., and Garifullin I. A. Phys. Rev. B, 61, 3711 (2000).

13. Baibich M. N., Broto J. M., Fert A., Nguyen van Dau F., Petroff F., Etienne P., Creuzet G., Friedrich A., Chazeles J. Phys. Rev. Lett., 61, 2472 (1988).

14. Grunberg P., Schreiber R., Pang Y., Brodsky M. В., and Sowers H. Phys. Rev. Lett., 57, 2442 (1986)14 15 [16 [1718 19 [202122 2324 25 [26 [27 [28

15. Tagirov L. R. Phys. Rev. Lett., 83, 2058 (1999)

16. Buzdin A. I., and Bulaevskii L. N. Sov. Phys. JETP, 67B, 576 (1987)

17. Sonin E. B. Phys. Rev. B, 66, 136501-1 (2002)1.iho R., Lahderanta E., Sonin E. В., and Traito К. B. Phys. Rev. B, 67, 144522-1 (2003)

18. Parkin S. S. P. Phys. Rev. Lett., 71, 1641 (1993).

19. Buzdin A. I., Vedyayev А. V., and Ryzhanova N. V., Europhys. Lett., 48, 686 (1999).

20. Oh S., Youn D, and Beasley M. R. App. Phys. Lett., 71, 2376 (1997)

21. Gu J. Y., You C.-Y., Jiang J. S., Pearson J., Bazaliy Ya. В., and Bader S. D. Phys. Rev. Lett., 89, 267001-1 (2002)

22. Kinsey R. J., Barnell G., Blamire M. G. Trans, on Appl. Sup., 11, 904 (2001)

23. Buzdin A. I., Mel'nikov A. S. Phys. Rev. B, 67, 020503-1 (2003)

24. Sonin E.B. and Felner I. Phys. Rev. B, 57, 14000 (1998)

25. Felner I., Asaf U., Levi Y., and Millo O. Phys. Rev. B, 55, R3374 (1997)edited by Maple M. B. and Fisher O. Springer-Verlag, Berlin Superconductivity in Ternary Compounds, II, (1982)

26. Eisake H. et al. Phys. Rev. В, 50, 647 (1994).

27. Rukang L. et al. Physica C, 176, 19 (1991).

28. Felner I. et al. Phys. Rev. B, 49, 6903 (1994); 51, 3120 (1995).

29. Cava R. J. et al. Physica C, 191, 237 (1992)

30. Bauernfeind L. et al. Physica C, 254, 151 (1995).

31. Greenside H. S., Blount E. I., and Varma С. M. Phys. Rev. Lett., 46, 49 (1981)

32. Sonin E. B. Phys. Rev. B, 66, 100504-1 (2002)

33. Bulaevskii L. N., Buzdin A. I., and Panjukov S. V. Phys. Rev. B, 28, 1370 (1983)

34. Bulaevskii L. N., and Chudnovsky E. M. Phys. Rev. B, 63, 012502 (2000)

35. Буздин А. И., Вуйчич В., Куприянов M. Ю. ЖЭТФ, 101, 231 (1992).

36. Буздин А. И., Куприянов М. Ю. Письма в ЖЭТФ, 52, 1089 (1990).

37. Fominov Ya. V., Chtchelkatchev N. М., and Golubov А. А. Письма в ЖЭТФ, 74, 101 (2001)

38. Fominov Ya.V., Chtchelkatchev N.M., and Golubov A.A. Phys. Rev. B, 66, 014507-1 (2002)

39. Ryazanov V. V., Oboznov V. A., Prokofiev A. S., Bolginov V. V., and Feofanov A. K. Journ. Low Temp. Phys. 136, 385 (2004).

40. Kontos Т., Aprili M., Lesueur J., and Grison X. Phys. Rev. Lett., 86, 304 (2001)

41. Кулик И.О. ЖЭТФ, 57, 1745 (1969).

42. Булаевский JI. Н., Кузий В. В., Собянин А. А. Письма в ЖЭТФ, 25, 314 (1977).

43. Baselmans J. A., Morpurgo A. F., van Wees B. J., and Klapwijk Т. M. Nature (London), 397, 43 (1999)

44. Ryazanov V. V., Oboznov V. A., Veretennikov A. V., and Rusanov A. Yu. Phys. Rev. B, 65, 020501-1 (2002)

45. Buzdin A. I. Phys. Rev. B, 62, 11 377 (2000)

46. Demler E. A., Arnold G. В., and Beasley M. R. Phys. Rev. B, 55, 15174 (1997).51. de Jong M. J. M., Beenakker C. W. J. Phys. Rev. Lett., 74, 1657 (1995)

47. Хансен M., Андерко К. Структуры двойных сплавов. М.: Металлургиздат, 1962, т. 2, стр. 644-647.

48. Вол А. Е., Каган И. К. Строение и свойства двойных металлических систем. М.: Наука, 1979, т.2.

49. Двойные и многокомпонентные сплавы на основе меди. М.: Наука, 1979.

50. Karplus R., Luttinger J. М. Phys. Rev., 95, 1154 (1954)

51. Levin К. and Mills D. L. Phys. Rev. B, 9, 2354 (1974).

52. Houghton R. W., Sarachik M. P. and Kouvel J. S. Phys. Rev. Lett. 25 238 (1970).58. van Leeuwen D.A., van Ruitenbeek J.M., Shmid G., de Jongh L.J. Phys. В 194-196, 263 (1994).

53. Silwert W., Cooper L. N. Theory of nonhomogeneous superconducors. Phys. Rev., 141, 336(1966)

54. Mercaldo L. V., Attanasio C., Coccorese C., Maritato L., Prischepa S. L., and Salvato M. Phys. Rev. B, 53, 14040 (1996)

55. Рязанов В. В., Обознов В. А., Прокофьев А. С., Дубонос С. В. Письма в ЖЭТФ, 77, 43 (2003)

56. Гершензон М. Е., Кошелец. В. П. ЖТФ, 50, 572 (1980)

57. Рязанов В. В., Обознов В. А., Прокофьев А. С., Больгинов В. В., Феофанов А. К. УФН, 174, 795 (2004)

58. Kupriyanov М. Yu. and Lukichev V. F. Zh. Zh. Eksp. Teor. Fiz., 94,139 (1988); Sov. Phys. JETP, 67, 1163 (1988)

59. Аматуни JI. Э., Губанков В. Н., Зайцев А. В. и Овсянников Г. А. ЖЭТФ, 83, 1851 (1982).

60. Каплуненко В.К. Физ. Низк. Темп. 12, 382 (1986).

61. Вдовичев С.Н., Грибков Б.А., Гусев С.А. и др. Нанофизика и наноэлек-троника. Материалы симпозиума, Нижний Новгород, 25-29 марта 2005 г. т.1, с.52.

62. Mayadas A. F., Laibowitz R. В., and Cuomo J. J. J. Appl. Phys., 43, 1287 (1972).

63. Гершензон M. E. Диссертационная работа, ИРЭ (1986)

64. Ptitsina N. G., Chulkova G. M., Il'in K. S., Sergeev A. V., PochinkovF. S., Gershenson E. M., and Gershenzon M. E. Phys. Rev. B, 56, 10089 (1997)

65. Johnson D. L., Finnemore D. K. Phys. Rev., 158, 376 (1967)

66. Krasnov V. M., Ryazanov V. V., Oboznov V. A., Prokofiev A. S., Ericsson O., Intiso S., and Delsing P. Physica C, 418/1-2, 16-22 (2004)

67. Erdin S., Kayali A. F., Lyuksyutov I. F., and Pokrovsky V. L. Phys. Rev. В 66, 014414 (2002); Lyuksyutov I. F. and Pokrovsky V. L., cond-mat/9903312.