Магнитные свойства двумерных решеток туннельных джозефсоновских контактов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ИШИКАЕВ Салават Мангурович

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ДВУМЕРНЫХ РЕШЕТОК ТУННЕЛЬНЫХ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ КОНТАКТОВ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Омск - 2005

Работа выполнена в Институте неорганической химии им. A.B. Николаева, Сибирского отделения Российской академии наук г. Новосибирск

доктор физико-математических наук, профессор Матизен Эдуард Викторович

доктор физико-магемагических наук, профессор

Югай Климентий Николаевич

кандидаг фижко-мшсматческих н.туь, доцент

Батурина Татьяна Ивановна

Ведущая организация: Институт физики твердого тела РАН.

Черноголовка, Московской обл.

Защита состоится «13» 10 2005 г. в 16-30 часов на заседании диссертационного совета К212.179.02 при Омском iocy;iapci пенном университете по адресу:

644077 г. Омск, пр. Мира, 55а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Omckoi о государственного университета.

Автореферат разослан 2005 i.

Учёный секретарь диссертационного совета К212.179.02 кандидат физико-математических наук, Доцент

Научный руководитель:

Официальные опноненгы:

Вершинин I' А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время наблюдается большой интерес к изучению свойств регулярных двумерных решеток джозефсоновских переходов (в дальнейшем - J-решетки). Имеется большое количество теоретических работ, посвященных магнитиым свойствам J-решеток, и в той или иной степени нуждающихся в подтверждении адекватности расчетов эксперименту. К настоящему времени проведено много транспортных исследований регулярных джозефсоновских структур, однако прямые экспериментальные измерения мапштною момента фактически oicyicreyior. Между тем магнитные исследования являются, несомненно, важными. Сравнение экспериментальных результатов с представленными в литературе теориями позволяет проверить их применимость к джозефсоновским сетям, а также выделить механизмы, определяющие наблюдаемые в них явления, что в настоящее время является важной научной задачей.

Исследование джозефсоновских решеток актуально и в прикладном плане, так как явление джозефсоновской генерации можно применить для создания перестраиваемых источников излучения в еще не освоенной области субмиллиметровых волн. J-решетки более эффективные, чем единичные контакты, источники излучения, детекторы, смесители, благодаря синхронизации контактов в решетке. Уже создан и успешно протестирован гетеродинный приемник излучения на рабочую частоту 500 GHz, способный принимать очень слабые сигналы (~10'п Вт). Экспериментальные исследования помогут в понимании факторов, как способствующих, так и ограничивающих эффективность когерентной микроволновой генерации.

Активно развивается в настоящее время прикладное "джозефсонов-ское" направление - так называемая RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum Logic), в которой информация передается и хранится в джозефсоновских структурах в виде квантов магнитного потока. В последнее время широко обсуждается возможность квантовых вычислений. Джозефсоновские структуры рассматриваются как одни из самых перспективных для реализации базового элемента таких компьютеров. На основе двумерных J-решеток может быть создан также новый тип компьютерной памяти, строящийся не на основе традиционной бинарной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре, систему памяти (типа нейронных сетей живых организмов). Поэтому важно знать, как влияют на свойства J-решеток различные условия (температура, магнитное поле, геометрические характеристики решеток и т. д.). ----

Весьма актуальной является задача экспериментального исследования .¡-решеток в практически не изученной области больших критических параметров. Особый интерес представляет проблема существования самоорганизованной критичности (СОК) в .¡-решетках. Это явление наблюдается в широком круге сложных дискретных систем, состоящих из большого количества активно взаимодействующих элементов. Такие системы имеют множество метастабильных состояний, и проявляют очень интересную динамику. При монотонном изменении внешних условий они достигают неустойчивости, при этом в них возникают скач кообразные переходы разных амплитуд между метастабильными уровнями, которые удерживают систему вблизи критического состояния. Важно отметить, что амплитуды скачков не зависят от величины воздействия или флуктуаций, и совершенно ничтожное возмущение может привести к лавине громадного размера (катастрофе). Особенностью является то, что, несмотря на хаос, система самоорганизуется, у нее появляется некоторый постоянный в среднем параметр, например, у насыпаемой кучи песка - угол склона. Таким образом, система сама поддерживает собственное критическое состояние, при этом не надо подстраивать какие-либо ее параметры, в чем и заключается сущность СОК.

На возможность реализации СОК в джозефсоновской среде впервые указал в 1994 г. С.Л. Гинзбург. В сложных джозефсоновских структурах, как интерактивных системах, при больших критических параметрах обладающих огромным числом метастабильных состояний, возможно наблюдение проявлений СОК, в частности, движение магнитного потока с образованием лавин флуксонов, обладающих определенными статистическими свойствами.

Очень важной является задача создания для исследования СОК экспериментальной модели с хорошо контролируемыми параметрами, в качестве которой могут быть успешно использованы .¡-решетки; к тому же для них существуют хорошо развитые теоретические модели.

Цель работы заключалась в экспериментальном исследовании магнитных свойств регулярных джозефсоновских решеток с большим количеством ячеек, с разным дизайном и большими критическими токами.

Согласно с этим были поставлены следующие задачи:

• Изготовить ре1улярные решетки джозефсоновских переходов с разным числом ячеек и туннельными контактами с высокой прозрачностью и плотностью критических токов до 5000 А/см2 с помощью магнетронного напыления, фотолитографии и химическою

травления, термического осаждения и взрывной фотолитографии.

• Модернизировать созданный в лаборатории СКВИД-магнитометр с целью повышения его чувствительности, также температурной и временной стабильности. Автоматизировать сбор и обработку данных.

• Экспериментально изучить зависимости магнитных свойств .1-решеток с туннельными контактами разных конфигураций и различными критическими токами от магнитного поля и температуры.

• Исследовать особенности движения магнитного потока п регулярных джозефсоновских структурах с туннельными барьерами очень высокой прозрачности, исследовать кроссовер между областями с квазинепрерывным и квазидискретным характером движения флуксонов (квантов магнитного потока).

• Изучить неустойчивости магнитного потока в исследуемой структуре, проявляющиеся в виде лавин, а также провести их статистический анализ. Уточнить условия возникновения состояния самоорга-низованной критичности в таких структурах, что имеет прямое отношение к развитию катастрофических природных процессов.

Научная новизна.

1. Впервые предложено применение схемы модифицированного градиометра второго порядка для приемных катушек в СКВИД-магнитометре, что позволило повысить стабильность в режиме непрерывных измерений, а также уменьшить фоновый сигнал от держателя образца и микрофонный шум от образца.

2. Впервые исследованы магнитные свойства джозефсоновских решеток с высокой прозрачностью туннельных барьеров и высокими плотностями критических токов.

3. Впервые экспериментально наблюдались проявления самоорганизованной критичности в регулярных джозефсоновских структурах.

4. Впервые получены статистические данные по лавинам магнитного потока в регулярных джозефсоновских решетках, которые ясно показали существование двух участков с различной степенной зависимостью частоты появления лавин от их амплитуд, с резким кроссовером, когда показатель степени меняется от значения -0.7 до -9

Научная и практическая значимость работы. Впервые на оригинальном СКВИД-магнитометре экспериментально исследован магнитный момент джозефсоновских решеток в режиме намагничивания. Также впервые наблюдались проявления самоорганизованной критичности в виде лавинообразного входа (выхода) магнитного потока в регулярную джозефсоновскую структуру. Получены статистические характеристики, подтверждающие реализацию СОК в исследованной структуре. Проведено сравнение экспериментальных кривых намагничивания с теоретическими кривыми, которое показало совпадение вплоть до деталей в квазигидродинамической области. Сделаны оценки тока депиннинга из измеренного значения магнитного момента J-решетки в критическом состоянии, показавшее хорошее соответствие, с учетом эффектов собственного поля, с результатами измерений критическою тока в одиночных контактах.

Практическую ценность полученные результаты могут иметь при разработке и создании джозефсоновских источников излучения, а также элементов компьютерной памяти и логики, основанных на совершенно новых принципах передачи и обработки данных с использованием джозефсоновских структур.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования вопроса оптимизации приемной системы СКВИД - магнитометра и реализации полученных выводов.

2. Результаты измерений вольтамперных характеристик джозефсоновских контактов, и полученные температурные зависимости критических токов.

3. Результаты измерений магнитного момента джозефсоновских решеток в режиме развертки по полю при различных температурах.

4. Результаты изучения статистических свойств лавин магнитного потока в джозефсоновских решетках с туннельными контактами, доказавшие реализацию состояния самоорганизованной критичности.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях: Euro-Asian symp. "Trends in magnetism", Ekaterinburg, Russia, 27 Febr.- 2 March, 2001; Moscow Internat. Symp. on Magnetism, Moscow, June 20-24, 2002; 23rd Internat. Conf. on Low Temp. Physics. Hiroshima, Japan Aug. 20-27, 2002; VI-bilateral Russian-German sympos. "Physics and chemistry of advanced materials", Novosibirsk, Aug. 18-27, 2002; 2nd Internat. Conf. Physics of Liquid Matter, Kyev, Sept. 12-15, 2003; 2nd Euro-Asian Symp. 'Trends in

Magnetism" Kirensky Inst, of Physics, Krasnoyarsk, 24-27 Aug., 2004; 1-я Междунар. Конф. "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" 18-22 окт. 2004, Москва; а также на: 32 Всерос. совещ. по физике низких температур, тез. докл. секции SC: "Сверхпроводимость", Казань, 3-6 окт. 2000; 33 совещ. по физике низких температур, Екатеринбург, 17-20 июня, 2003.

Личный вклад. Модернизация и оптимизация С'КВИД-маг питометра и магнитные измерения были проведены автором лично. Также автор разрабатывал дизайн джозефсоновских решегок и принимал участие в их изготовлении и тестовых транспортных измерениях отдельных контактов.

Публикации. По результатам вошедших в диссертацию исследований опубликовано 19 печатных работ, из которых 5 статей опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных реферируемых журналах.

Структура диссертации и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 94 страницы, включая 34 рисунка и список литературы из 112 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана характеристика области исследований, обоснована актуальность выбранной темы, ее практическая значимость и сформулированы основные цели работы. Кратко описано основное содержание глав и полученные в них результаты. Здесь же сформулированы выносимые на защиту результаты.

Глава I. Литературный обзор. Глава состоит из трех разделов.

В п. 1.1. рассмотрены основные принципы, лежащие в основе исследуемых процессов - эффекты Джозефсона. Рассмотрены стационарный и нестационарный эффекты и вытекающие из них выводы. Кратко дан обзор современных перспектив практических применений джозефсоновских структур в качестве элементов высокочастотных устройств, обсуждены перспективы применения в качестве элементов памяти и логики электронных вычислительных устройств, основанных на совершенно новых принципах передачи и обработки данных, в том числе для квантовых вычислений и в качестве ассоциативной памяти.

В п. 1.2. проведен обзор теоретических работ, посвященных исследованию физических свойств регулярных джозефсоновских структур.

В п. 1.2.1 приведен обзор работ, в которых исследуются магнитные и транспортные свойства регулярных джозефсоновских решеток. Обсуждаются разные подходы к расчету столь сложной модели, какой является .¡-решетка, и сравниваются результаты, в частности, отмечается необходимость учитывать, кроме самоиндукции, также и >ффекгы взаимной индукции. Отмечается существование двух разных режимов движения магнитного потока в .¡-решетке, т.е. двух областей, магнитная динамика в которых различна. Для их описания удобно пользоваться параметром к = Я/а, где X - глубина проникновения перпендикулярного магнитного поля в решетку, а - период решетки.

При к»1 (слабый пиннинг) флуксоны проникают в .¡-решетку виде гипервихрей, простирающихся на множество ячеек. В этом пределе взаимодействие флуксонов с внешним полем и между собой приводит к глубокому проникновению их внутрь решетки. Профиль поля при этом состоит из пиков, почти равномерно распределенных по решетке в местах расположения гипервихрей. В пределе к«1 (больших критических токов) джозефсоновская глубина проникновения мала, и динамику флуксонов удобно описывать как динамику дискретных частиц. Однако одновременно в описании профиля поля мы приходим к непрерывному пределу (модель Бина), при котором концентрация флуксонов и градиент концентрации достигают значительных величин.

Магнитные свойства решеток в пределе слабого пиннинга получаются периодическими [1], что следует из симметрии Гамилмоннана для джозефсоновской решетки относительно преобразования Н —* 11 4 Ф,/а2. Периодические пики на кривых являются отражением специфического критического состояния в регулярной джозефсоновской структуре и соответствуют увеличению критического тока пиннинга флуксонов (тока депиннинга) при целочисленных фрустрациях Г (средний поток на ячейку решетки, измеренный в квантах потока: Г = Ф/Ф0 = О, I. 2. .) Кроме пиков, видны особенности точно между ними, соответствующие изменению потока внутри решетки в среднем на полкванта на ячейку. Увеличение тока депиннинга происходит в моменты соизмеримости джозефсоновской решетки и вихревой решетки (решетки флуксонов) Обратный случай соответствует случаю к«1 (сильный пинниш при значительном критическом токе), при этом динамику флуксонов можно описывать как движение дискретных квазичастиц, локализующихся в пределах ячейки. В этом случае зависимость магнитного момента от внешнего поля в среднем похожа на обычную петлю гистерезиса для сверхпроводника второго рода, однако на ней наблюдаются скачки равной амплитуды с постоянным периодом по полю (Рис.1 Ь)

Рис I. Петли гистерезиса для джозефсоновской решетки 30x30 (а) к=1 41, (Ь) к=0 15 (из раГхчы [I])

В п. 1.2.2 проведен обзор экспериментальных работ, в которых исследуются свойства регулярных лжозефсонов-ских решеток. Экспериментальные исследования ,1-решеток до сих пор в основном ограничены изучением вольтамперных характеристик. В резистивных исследованиях [2] определены ток депиннинга, сопротивление движению потока. На полученных кривых зависимости критического тока от внешнего магнитного поля, проявляются периодические пики при целых фрустрациях Г и вполне отчетливо видны особенности при полуцелых Г когда поток заполняет ячейки решетки в шахматном порядке.

О 02

| ООО

-9

-0.02

• Т=6.0К ■ «6К ■ «ввк/. 1 * . *

1

Рис 2. Экспериментальные зависимости тока депиннмша в решетке джозефсоновских туннельных переходов при разных темперагурах |2]

В п. 1.3 проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию явления самоорганизованной критичности (СОК), наблюдающегося в множестве природных процессов. Проблема самоорганизованной критичности, или универсального динамического поведения сложных диссипативных открытых систем, привлекает повышенный интерес в последние годы, поскольку выясняется, что в основе разных сложных явлений лежат одни и те же принципы, базирующиеся на отрицательных и положительных обратных связях.

■020 ли -010 -0 05 ООО 005 010 013 020 И, о>

По теории П. Бака, Ч. Танга и К. Визенфельда [3], которая объясняет поведение различных сложных дискретных систем с миллионами взаимодействующих на малых расстояниях элементов, данные системы естественным образом эволюционируют к критическому состоянию, когда малое событие вызывает цепную реакцию, способную повлиять на любое число содержащихся в них элементов. Развитие неустойчивостей происходит в виде скачков - лавин, которые могут быть как малыми, так и охватывающими всю систему, при этом даже слабое воздействие может привести к лавине громадного размера. Особенностью СОК является то, что не надо подстраивать какие-либо параметры, система сама приходит в состояние, которое является самоподдерживающимся.

В литературе в последнее время выражено сомнение в адекватности теории самоорганизованной критичности, в том виде, как определяли ее создатели концепции [3]. В ряде работ распределение лавин по их амплитуде имеет характер, отличающийся от степенного, присущего СОК. Ревизия, основанная на анализе статистических свойств разных процессов, проведенная в [4], показала, что распределение во многих случаях лучше описывается функцией типа Р(х) ~ ехр(-(х/х0)м), где ц - константа. В этом случае имеется характерный масштаб лавин х0, и нет однородности функции распределения относительно размеров. Это противоречит "классической" СОК, поскольку в ней предполагается масштабная инвариантность. Однако размеры любых реальных систем конечны, поэтому ограничен также максимальный размер лавин, следовательно, масштабная инвариантность имеет естественные пределы применимости.

В п. 1.3.1 показано, что джозефсоновские решетки могут служить удобным модельным объектом для изучения СОК. C.J1. Гинзбург в 1994 г. предположил [5], что в хаотической J-решетке может наблюдаться СОК, поскольку при больших критических токах контактов каждая ячейка, а значит, и вся решетка в целом, обладают огромным числом состояний, что является необходимым условием для наблюдения СОК.

Согласно расчетам [5], J-решетка эквивалентна классической "абе-левской модели кучи песка" [3], проявляя многие важные характеристики СОК. Один из создателей теории самоорганизованной критичности Курт Визенфельд недавно отметил, что джозефсоновские решетки являются идеальным искусственным объектом для изучения СОК [6].

В п. 1.3.2. Проведен обзор экспериментальных данных по СОК, полученных на ограниченном круге искусственно приготовленных объектов. Впервые скачки при проникновении магнитного потока внутрь

тонкостенной трубки из сплава Nb-Ti были исследованы в |7]. Статистика лавин показала степенное распределение их вероятностей от амплитуд в диапазоне до двух декад. Фурье-спектр всплесков напряжения являлся степенной функцией частоты с показателем около -1.5. Все это позволило авторам интерпретировать полученные результаты как проявление СОК. Сравнительно недавно опубликовано исследование проникновения магнитного потока в ниобиевую пленку при помощи магнитооптики [8], проведенный анализ профиля поля показал реализацию СОК в данной системе. Все эти эксперименты подтвердили масштабирование (скейлинг) в существенном диапазоне амплитуд лавин.

В конце главы сформулирована постановка задачи.

Глава II. Методики изготовления и экспериментального исследования магнитных свойств джозефсоновских решеток. Глава состоит из двух разделов.

В п. 2.1. описана методика изготовления джозефсоновских решеток. Были разработаны два дизайна с разной формой сверхпроводящих пленочных островков Nb и РЬ. Один дизайн электродов сделан в виде восьмиугольника, другой в виде креста. Последняя конфигурация имела ббльшие индуктивность ячейки и площадь туннельного контакта, благодаря чему достигачись большие значения критического параметра.

J-решетки с восьмиугольными электродами изготавливались по одному шаблону 100x100 ячеек в двух экземплярах с разными критическими токами (в дальнейшем будем обозначать их как SISI и S1S2), с крестообразными электродами (в дальнейшем - SISk) - с одним значением криттока, но с размерами 64x64 и ЮОхЮОячеек. Размеры ячеек во всех случаях были одинаковые: 20x20 мкм2. Решетки были изготовлены по стандартной технологии. Сначала осаждалась пленка ниобия -100 нм методом магнетронного распыления в разряде постоянного тока в атмосфере аргона с давлением ~10"2мбар. Далее фотолито! рафией с последующим химическим травлением получалась структура нижнего сверхпроводящего слоя. Изолирующий слой SiO толщиной -150 нм осаждался методом термического вакуумного испарения. После вскрытия окон в слое SiO для туннельных контактов взрывной фотолитографией (lift-off), формирования в фоторезисте изображения, производилась ионная очистка поверхности, затем окислением в смеси аргона и кислорода формировалась туннельная прослойка NbOx. Верхний свинцовый слой получен вакуумным

испарением сразу же (в одном цикле), с дальнейшим формированием структуры с помощью lift-off.

Рис.3 Фрагмент дзозефсоновской решетки с крестообразными электродами На вставке - ВАХ одиночного контакта при 4 2 К

Основные характеристики 8181-, 8182- и 818к-решеток даны в тблицс.

Тип решетки SIS1 SIS2 SISk

Размеры решеток 100x100 100x100 64x64, 100x100

Площадь перехода, мкм2 -7 мкм2 ~7 мкм2 -25 мкм2

Критический ток при 4.2К -80 мкА -150 мкА -1800 мкА

Нормальное сопротивление 10 Ом 20 Ом -0.7 Ом

Индуктивность ячейки -2.5-ю12 ~2.510'12Гн -10 " Гн

Емкость перехода 0.01 нФ 0.01 нФ 0.03 нФ

В п. 2.1.1. описаны методы измерения вольтамперных характеристик и критических токов контактов, главной задачей которых был оперативный контроль качества образцов.

В п. 2.2. дано описание использованных методик измерения магнитных свойств образцов.

В п. 2.2.1. приведено описание конструкции СКВИД-магнитометра, на котором проводились все измерения джозефсоновских структур, изучавшихся в данной работе. Данный СКВИД-магнитометр имел чувствительность по магнитному моменту 2х10"13 А м2, приведенный к отверстию СКВИДа шумовой поток, порядка 10° Ф0 в полосе 1 Гц. СКВИД-

магнитометр имел ряд особенностей, что обеспечило заметные преимущества и позволило получать воспроизводимые результаты

В п. 2.2.2. обсуждаются вопросы оптимизации приемных катушек трансформатора потока СКВИД-магнитометра, вопросы управления ас-татизмом системы соленоид - приемные катушки. Показано, что конфигурация приемных катушек в виде модификации градиометра второго порядка обеспечивает такие преимущества при измерении малых образцов, как слабая зависимость сигнала от смещения образца, самокомпенсация сигнала от штока - держателя образца и термопары

В п. 2.2.3. дан анализ экспериментальной реализации. В модифицированном виде регистрирующая система была составлена из чешрсч равных кагушек, две средние из которых намотаны в одну сторону, подобно катушкам Гельмгольца, а две крайние катушки, равноотстоящие от средних, - намотаны в обратную сторону. Калибровочные измерения показали соответствие полученных результатов сделанным выводам.

Глава 111. Измерение магнитных свойств джозефсоновских решеток. Глава состоит из двух разделов.

В п. 3.1 приведены результаты тестовых измерений вольтамперных характеристик одиночных джозефсоновских контактов. Определены температурные зависимости критического тока.

В п. 3.2. приведены результаты экспериментального исследования магнитной динамики решеток джозефсоновских контактов в режиме развертки по полю. Проводится сравнение экспериментальных результатов с теоретическими. Показано согласие между экспериментальными и теоретическими результатами в пределе малых критических токов

Было получено семейство кривых намагничивания J-решетки для разных температур (Рис.4, Рис.5). Петли гистерезиса выше 5.3 К -непрерывные воспроизводимые кривые. На всех этих кривых обнаруживается регулярные пики с независящим от температуры периодом но магнитному полю, приблизительно равным 59 мЭ. С учетом ослабления поля в области решетки в результате экранирующего действия сверхпроводящих пленок, это значение соответствует кванту потока на одну ячейку: ДН=Фо/а2 ~ 52 мЭ, где Ф0-квант магнитного потока, а - период решетки. Видны также небольшие особенности, при изменениях внешнего магнитного поля в половину кванта на ячейк) Это соответствует теоретическим выводам [I] (рис.1), а также прямым измерениям полевых зависимостей критического тока в таких решетках [2] (см. рис.2).

Рис.4 Семейство петель гистерезиса при мамашичиваиии джозефсоновской решетки SISI с туннельными контактами.

Периодические пики возникают на кривой намагничивания при целочисленных фрустрациях £ когда на каждую ячейку приходится практически одинаковое целое число флуксонов и поэтому их распределение в решетке является регулярным и устойчивым. Рост устойчивости системы вихрей проявляется в виде увеличения тока депиннинга и, соответственно, общего магнитного момента. Кроме высоких максимумов, также видны небольшие бугорки точно между ними, соответствующие изменению потока на один флуксон на каждые две ячейки.

Особый интерес вызывает магнитная динамика ,1-решетки при температурах ниже 5.5 К. На гистерезисных петлях наблюдаются скачки магнитного момента, растущие с понижением температуры. Эти скачки, появившись сначала на вершинах пиков, сначала образуют периодические компактные группы, расположенные точно напротив пиков на "высокотемпературных" кривых, затем группы скачков смыкаются. В дальнейшем скачки происходят при случайных значениях поля и их амплитуды имеют большой разброс. Такое поведение, очевидно, не является тепловым шумом, т.к. "шум" растет с понижением температуры.

Рис 5 Петли шстерезиса решетки 5152 при разных гемперагурах.

N=64x64 г««» [10 А м2

—— 67К\

. 1Э -109Ам2

Рис 6 Петли гистерезиса решетки 515к при разных температурах

На рис.6 показаны петли гистерезиса для решетки 518к с размерами 64x64 ячеек для разных температур, характер которых принципиально не отличается от таковых для 5181 и 8182. В 818к-решетках также наблюдаются лавины магнитного потока в виде скачков на кривой намагничивания. Вследствие значительно большего критическою тока контактов и большей индуктивности ячейки, образование лавин потока в решетке 818к начинается уже при температурах около 6.5 К.

Для иллюстрации характера скачков на рис.7 приведены кривые намагничивания решетки Б181 в полях до ±13 мЭ при 2.15 К, состоящие из нескольких циклов. Видно, что монотонное изменение магнитного момента прерывается спонтанными резкими сбросами, после которых снова идет монотонный ход до следующего скачка. Эти скачки происходят при случайных значениях поля и соответствуют одновременному входу в решетку (или выходу) лавин из десятков и сотен квантов потока.

Наблюдаемые скачки магнитного момента являются подтверждением реализации СОК в ,1-решетке, потому что построенная гистограмма количества скачков от их амплитуд (рис.8) демонстрирует степенную зависимость, которая является "визитной карточкой" СОК. Показатель степени для решетки 8151 получился равным п=-1.9±0.1.

Распределение скачков по амплитуде для решетки 5182 имеет иной характер: на кривой выделяются две области степенной зависимости

ю'АМ2

^^ 1500фо

-10 -5

0

КмЭ

Рис 7. Петли гистерезиса решетки SIS I приТ=2.15 К в поле до ±13 мЭ

плотности вероятности появления лавин от их амплитуды с показателями степени п = -1.1 для малых лавин и около п = -3.5 для больших, рис.9. Подобный кроссовер отмечался рядом авторов и на других объектах.

Амплитуда скачков, ото ад

Амплитуда скачков, от'ед

Рис.8 Распределение скачков магнитного Рис 9 Распределение скачков маши moi о момента (лавин потока) по амплитудам в момента (лавин потока) по амплитудам я решетке SIS 1 при T=4 2К. решетке SIS2 при Т=4 IК

Возможно, на решетках SIS1 получился другой показатель степени, а также не удалось наблюдать кроссовер, потому что не было достаточного числа лавин для детальной статистики. Кроссовер наблюдается в области больших лавин, вероятность которых мала, и поэтому разброс данных велик, и уверенно зафиксировать кроссовер невозможно.

На решетках SISk с новой конфигурацией удалось получить весьма большой массив (16000 лавин), что обеспечило значительно меньший разброс данных, что хорошо видно при сравнении рис. 10 и рис. 11.

100 1000 Amiijih 1ула скачков, флуксонов

Рис 10 Распределение лавин флуксонов в решетке SISk но амплитудам в массиве 3500 лавин при 1=4 IK

100 1000 Амплитуда скачков, фчуксонов

Рис 11 Распределение лавин флуксонов в решетке SISk по амплитудам в массиве 16000 лавин при Í -4 1К

По поводу закона распределения лавин, хочется отметить, что в регулярных джозефсоновских решетках наблюдается резкий кроссовер, со степенной зависимостью на обоих участках. На рис.11 хорошо видно, что кроссовер происходит при размерах лавин примерно в 800, а максимальные лавины имеют размер порядка 2000 флуксонов, что уже близко к предельно возможному значению. Поэтому отклонение от степенной зависимости на больших амплитудах является вполне естественным.

Фурье-спектр кривых намагничивания решетки S1S2 при развертке мапштною поля с постоянной скоростью, ведет себя как 1/Р (в данном случае а = 1.3) что также характерно для СОК.

В п. 3.2.1. изложены результаты изучения магнитной динамики в джозефсоновских решетках с контактами SNS-типа и ВТСП-керамиках. Одной из целей изучения джозефсоновских решеток с SNS-контактами было наблюдение проявлений СОК [3], реализующейся в J-решетках с туннельными контактами. Хотя критический параметр удовлетворяет условию СОК [5j, лавины флуксонов не наблюдались. Это можно объяснить вязким трением в нормальном металле переходов, вследствие потерь в них флуксоны не набирают энергии для развития лавин Измерения магнитного момента при намагничивании гранулированных пленок и керамик ВТСП при температурах 4.2 К- 50 К также не обнаружили лавин. Видимо, это связано с тем, что типичные межзеренные джозефсоновские контакты в ВТСП являются контактами SNS-типа.

В заключении сформулированы основные выводы данной работы.

Отсутствие в литературе экспериментальных работ по намагничиванию джозефсоновских решеток, видимо, связано с трудностями изме-

рений деталей поведения малых магнитных моментов (Ю10 - 10"9 А-м2), которыми обладают даже такие большие решетки, как исследованные, и с трудностями прямых измерений намагниченности при развертке по полю (петли гистерезиса). Существуют большие сложности и в изготовлении решеток с достаточно высокими параметрами.

Явление СОК вызывает постоянно растущий интерес, количество публикаций по этой теме стремительно растет. Джоэефсоновскис решетки обладают рядом преимуществ в качестве модельного объекта для изучения СОК. В этой модели можно легко менять внутренние и внешние условия и изучать их влияние на характеристики СОК, на что недавно указал один из создателей теории [6]. Данная экспериментальная модель дает возможность расчетов магнитной динамики на основе хорошо отработанных методов и позволяет проверить их адекватность.

Вынесенные на защиту работы пока остаются единственными, где исследовалось поведение магнитного момента при непрерывном намагничивании регулярных .1-решеток, и в них наблюдалась СОК.

Основные результаты, полученные в диссертации в ходе исследования магнитных свойств решеток туннельных джозефсоновских контактов, можно сформулировать следующим образом.

1. Изготовлены решетки джозефсоновских контактов с разным числом ячеек (до 100x100) и туннельными контактами с высокой прозрачностью и рекордной плотностью критических токов 7000 А/см2, и низким нормальным сопротивлением контактов. Проведены рези-стивные измерения тестовых джозефсоновских контактов для определения их параметров и построены температурные зависимости критических токов контактов после изготовления каждой решетки.

2. Модернизирован созданный в лаборатории СКВИД-магнитометр, повышены его чувствительность, температурная и временная стабильности, что позволило уверенно регистрировать магнитный момент джозефсоновских решеток. Найдена оптимальная геометрия приемных катушек СКВИД-магнитометра, обеспечивающая компенсацию паразитных сигналов, а также стабильность сигнала ввиду слабой зависимости чувствительности от положения образца.

3. Экспериментально изучены магнитные свойства .Ьрешеток с туннельными контактами с разными конфигурациями и критическими токами. Результаты в области малых критических параметров показали хорошее соответствие с теоретическими расчетами. Оценки то-

ков депиннинга из ширины гистерезисных петель находятся в хорошем соответствии с результатами измерений критического тока.

Впервые экспериментально исследованы регулярные J-решетки в пределе больших критических параметров, что позволило наблюдать возникновение спонтанных лавин магнитного потока.

Полученные значительные массивы данных для джозефсоновских решеток 100x100 ячеек с большими критическими токами и различной конфигурацией электродов позволили определить, что закон распределения лавин в области малых амплитуд является степенной функцией амплитуды Р(А)~А"П, в соответствии с теорией самоорга-низовапной критичности. Теоретические работы не предпола1али существования обнаруженных эффектов в регулярных J-решетках.

При больших критических токах обнаружен кроссовер в распределении лавин по амплитуде, когда показатель степени в зависимости Р(А)~А" меняется от -0.7 при малых амплитудах до -9 при больших. Видимо, кроссовер связан с конечностью решетки, вероятность наблюдения больших лавин резко снижается, нарушая скейлинг.

Определен спектр участков кривой намагничивания с лавинами. Полученный спектр лавин магнитного потока является степенной функции частоты в пределах почти двух декад, с показателем степени -1.3, что также является подтверждением проявления СОК.

Проявления СОК на SNS-решетках, а также в ВТСП-керамиках с SNS-типом межзеренных контактов, не наблюдались, что связано с диссипацией энергии внутри SNS-переходов.

Уточнены условия реализации СОК в джозефсоновских решетках с туннельными контактами. Было показано, что пороговая температура в SlS-решетках, ниже которой наблюдаются лавины магнитного потока, соответствует равенству единице критического параметра. Данное условие значительно мягче критерия С.Л.Гинзбурга, по которому критический параметр должен быть много больше единицы.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Ishikaev S. М., Matizen Е. V., Observation of self-organizing of a critical state in regular two-dimensional Josephson lattice // Proc. of International seminar "Chemogolovka 99" Quasi-Two-DimensionaMetal and Supercond. Systems, (Chemogolovka, Russia, December 12-18.

1999) Chernogolovka: Publ. Inst. Of Solid State Physics RAS., 1999. P.65.

• 2. Matizen E. V., Ishikaev S. M., The remanent magnetization of Bi-Ca-Sr-Cu-O ceramic rings in weak magnetic fields Northern Asian Study Series 4. High Temperature Superconductivity: New Materials and Properties, Joint Symposium of SB RAS and the CNEAS TU, Printed by Tohoku Print Co. Ltd., Tohoku University, Japan, 1999. P.65-72.

3. Ишикаев С. M., Матизен Э. В., Рязанов В. В., Обознов В. А., Веретенников А.В., Магнитные свойства двумерных джозефсо-новских сеток. Самоорганизованная критичность в динамике магнитного потока // Письма в ЖЭТФ.- 2000,- Т. 72, вып. 1. - С. 39- 44.

4. Ишикаев С. М., Матизен Э. В., Магнитные свойства регулярной джозефсоновской решетки 100x100 ячеек //Тезисы докладов, межд. конф. Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах, (Махачкала, 6-9 сент. 2000 г.) Махачкала: изд. ДГУ. С.41-42.

5. Ишикаев С. М., Матизен Э. В., Магнитные свойства квадратных джозефсоновских сеток. Наблюдение проявлений самоорганизованной критичности // Тезисы докл. 32 Всеросс. совещание по физике низких температур, секция SC: "Сверхпроводимость", (Казань, 3-6 окт. 2000 г.). Казань: изд. Казанскою гос. университета "Хэтер".- 2000. С.5-6.

6. Ishikaev S. М., Matizen Е. V., Magnetic properties of two-dimensional Josephson arrays. Observation of self-organized criticality in vortex dynamics // Proc of Euro-Asian symposium "Trends in magnetism", (Ekaterinburg, Russia, 27 February-2 March 2001) Ekaterinburg: Inst, of Physics of Metal. UrO RAS.- 2001. P. 175

7. Ишикаев С. M., Матизен Э. В., Безверхий П. П., Мартынец В. Г., Обнаружение лавин магнитного потока при намагничивании джозефсоновской решетки // Тезисы докладов 12 конкурса-конференции имени ак. А.В.Николаева (Новосибирск, 26-28 марта 2001 г). Новосибирск: Изд-во ИНХ СО РАН,- 2001. С. 63-65.

8. Ишикаев С. М., Оптимальная конфигурация приемных катушек СКВИД-магнитометра // Приборы и техника эксперимента - 2002.-Т.45, №. 3, C.I45-150, Instruments and Experimental Techniques.-2002. Т. 45, №. 3, P. 426-430.

9. Ishikaev S. M., Matizen E. V., Ryazanov V. V., Oboznov V. A., Magnetic Properties of Square Josephson Arrays // Proc. of Moscow International Symposium on Magnetism (Moscow, June 20-24- 2002) Moscow: Editorial URSS Scientific publishers. 2002. P. 214.

10. Ishikaev S. M., Matizen E. V., Ryazanov V. V., Oboznov V. A., Magnetic properties of square Josephson, arrays with SIS and SNS junctions // Proc. of 23rd Int. Conf. on Low Temperature Physics, (Hiroshima, Japan Aug. 20-27 2002) P. 170.

11. Ishikaev S. M., Matizen E. V., Magnetic Flux Dynamics in Two-Dimensional Josephson Arrays. Self-Organized Criticality and Asymmetry of Flux Motion // Proc. of VI Bilateral Russian-German Symposium "Advanced Materials with Collective Electronic Phenomena", (Novosibirsk, August 18-27 2002) Novosibirsk: Inst, of Thermophysics.- 2002. P 73.

12. Ishikaev S. M., Matizen E. V., Ryazanov V. V., Oboznov V. A., Magnetic properties of square Josephson arrays with SIS and SNS junctions // Physica C. 2003. N. 388-389C, P. 583-584.

13. ИшикаевС. M„ Матизен Э.В., Рязанов В.В., Обознов В.А., "Магнитные свойства SIS и SNS - сеток" // Тезисы докл. XXXIII Совещания по физике низких температур. Секция "Сверхпроводимость" (Екатеринбург, 17-20 июня 2003) Екатеринбург: изд. ИФМ УРО РАН. 2003. С.145-146.

14. Matizen Е. V., Ishikaev S. М., Universal phenomenon of Self-Organized Criticality in Magnetic flux Dynamics // Proc. of 2nd International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems (Kyev, Ukraine, Sept. 12-15 2003) Kyev: Kyev State University.- 2003,- P. 14

15. Матизен Э. В., ИшикаевС. M., Магнитные свойства гранулированных сверхпроводников с регулярной структурой // Тезисы докл. Третий семинар СО РАН - УРО РАН "Термодинамика и материаловедение" (Новосибирск 3-5 ноября 2003).- изд. ИНХ СО РАН, 2003. С. 140

16. Матизен Э. В., ИшикаевС. М., Измерения магнитного момента джозефсоновских сеток. Самоорганизованная критичность и асимметрия магнитной динамики // Электронный журнал "Исследовано в России"// 160. 2003. 1924 1944, http:zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/l60.pdf.

17. Матизен Э. В., ИшикаевС. М., Обознов В. А., Магнитный момент квадратных джозефсоновских сеток. Самоорганизованная критичность //ЖЭТФ. 2004,- Т. 126, вып. 5(11), С. 1-11.

18 Ishikaev S. М., Matizen Е. V., Flux avalanches and magnetic asymmetry in Josephson arrays // Proc. of 2nd Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism", (Krasnoyarsk. 24-27 August 2004) Krasnoyarsk: Kirensky Institute of Physics SB RAS. 2004. P. 255.

19. Ишикаев С. М., МатизенЭ. В., Обознов В. А., Магнитные свойства квадратных джозефсоновских решеток 100x100. Самоорганизованная критичность и асимметрия в динамике магнитного потока П Расширенные тезисы докладов, 1-я Межд. конф. "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (ФПС'04) (Звенигород 18-22 окт. 2004). Москва: изд. ФИ АН им. Лебедева, 2004. С. 121-122

Цитированная литература

1. Dominguez D., Jose J. V., Magnetic and transport DC properties of inductive Josephson-junction arrays // Phys. Rev.B. 1996-1. V.53. N17. P.l 1692-11713.

2. Logvenov G. Yu., Oboznov V. A., Ryazanov V. V.and Ustinov A. V., Two row switching regimes in two-dimensional Nb-Pb Josephson-junction array// Czechoslovak Journal of Physics. 1996. V.46. P.687-688,

3. Bak P., Tang C., and Wisenfeld K., Self-organized criticality: An explanation ofthe 1/f noise//Phys. Rev.Lett. 1987. V.59. P.381-384.

4. Laherrere E., Sornette D., Stretched exponential distribution in nature and economy: Fat Tails with characteristic scale // Eur. Phys. B. 1998. V.2. N.4. P.525-539.

5. Гинзбург С. Jl., Самоорганизация критического состояния в джозефсоновских решетках и гранулированных сверхпроводниках // ЖЭТФ. 1994. Т.106. №.2(8).С.607-626.

6. Wiesenfeld К., and binder J., Magnetic Avalanches: Josephson, Bean, and

Bak 11 Physica A. 2004. V.340. P.617-624.

7. Field S., Witt J., Nori F., Ling X., Superconducting vortex avalanches // Phys. Rev.Lett. 1995. V. P.1206-1209.

8. Vlasko-Vlasov V.K., Welp U„ Metlushko V., and Crabtree G. W„ Experimental test of the self-organized criticality of vortices in superconductors // Phys. Rev.B. 2004. V.69. P.I40504(R).

Автор выражает признательность научному руководителю д.ф.-м.н. проф. Матизену Эдуарду Викторовичу за внимание и интерес к работе. Автор благодарен д.ф.-м.н. Рязанову Валерию Владимировичу за обсуждение результатов и полезные дискуссии, а также выражает особую признательность Обознову Владимиру Анатольевичу за уникальные образцы и помощь в проведении тестовых измерений критических токов.

Ичл лип ИД 04060 от 20 02 2001 ((ощисано к печати и в свет 30 08 2005 Форми I ! примера ИтсчНс« Иптап

Исч.пь офссптя 11еч л 1,5Уч-тдл 1,0 1ираж 100 }ака?>М29 Мнспт I »кч»ртат«чсской химии им Л В Пико >аева СО РАН 11р1ки Лкад Лаврентьева» Ч, Новосибирск 6МЮ90

№16 9 00

РНБ Русский фонд

2006-4 13452

/1 ^Y

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Эффекты Джозефсона. Перспективы практических применений.ю

1.2. Магнитная динамика в ре1улярных джозефсоновских решетках.и

1.2.1 Экспериментальные исследования свойств регулярных джозефсоновских решеток.

1.2.2 Магнитные свойства регулярных джозефсоновских решеток.

1.3. Самоорганизованная критичность - универсальное явление природы.

1.3.1 Самоорганизация критического состояния в слабосвязанных сверхпроводниках.

1.3.2 Экспериментальные исследования явления самоорганизованнои критичности.

1.3.3. Постановка задачи.

ГЛАВА II. МЕТОДИКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ РЕШЕТОК.

Введение.4»

2.1. Изготовление регулярных джозефсоновских структур.4»

2.1.1 Измерения критического тока и ВЛХ образцов при различных температурах.

2.2. Измерения магнитных свойств образцов.

2.2.1 Конструкция СКВИД-магнитометра.4с>

2.2.2. Оптимизация приемных катушек трансформатора потока СКВИД-магнитометра.

2.2.3. Экспериментальная реализация приемной системы и проверка ее параметров.

Выводы.6(>

ГЛАВА III. ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ

РЕШЕТОК.

Введение.

3.1 Измерение температурных зависимое гей критических токов одиночных контактов.

3.2 Измерение магнитного момента решеток джозефсоновских переходов при различных температурах.

3.2.1 Результаты поисков лавин магнитного потока в решетках джозефсоновских переходов Б^-типа и ВТСП-керамиках.

Выводы.

Актуальность работы.

В настоящее время наблюдается большой интерес к изучению регулярных двумерных решеток джозефсоновских переходов (в дальнейшем - J-решетки). Опубликовано множество теоретических рабог, посвященных магнитным свойствам J-pcuicTOK, и и той или иной степени нуждающихся в подтверждении адекватности расчетов эксперименту. Проведено много транспортных исследований J-решеток, однако прямые экспериментальные измерения магнитною момента практически отсутствуют. Сравнение результатов экспериментальных исследований магнитных свойств с представленными в литературе теориями позволяет проверить их применимость к J-решеткам, а также указать факторы, определяющие наблюдаемые явления, что является важной научной задачей. Эксперименты позволяют обнаружить новые явления, т.к. из-за сложности электродинамики J-решеток не все факторы могуг быть учтены в теории.

Исследование джозефсоновских решеток актуально и в прикладном плане, т.к. они более эффективные, чем единичные контакты, источники излучения, детекторы, смесители, - благодаря синхронизации излучений от отдельных контактов. Явление джозефсоновской генерации можно использовать для создания перестраиваемых источников излучения в области субмиллимегровых волн, где сейчас источники практически отсутствуют, благодаря возможности синхронизации излучения отдельных контактов в решетке. Экспериментальные исследования помогут в понимании факторов, как способствующих, так и ограничивающих эффективность когерентной микроволновой генерации.

Активно развивается в настоящее время так называемая RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum Logic), когда информация передается и хранится в джозефсоновских структурах в виде квантов магнитною потока. Широко обсуждается возможность квантовых вычислений, причем джозефсоновские структуры рассматриваются как одни из самых перспективных для реализации базового элемента таких компьютеров. Исследуется также возможность создания нового типа компьютерной памяти на основе двумерных .1-решеток, строящейся не на традиционной бинарной логике, а на основе распределенной по всей структуре ассоциативной памяти. Поэтому важно знать, как влияют на свойства .1-решеток различные условия (температура, магнитное ноле, геометрические характеристики сеток; материал, из которого они изготовлены и т. д.).

Весьма актуальной является задача экспериментального изучения свойств .1-решеток в почти не изученной области больших критических параметров. Особый интерес представляет проблема существования самоорганизованной критичности (СОК) в .¡-решетках. Это явление наблюдается в широком круге дискретных систем, состоящих из множества активно взаимодействующих элементов. Такие системы имеют множество метастабильных состояний, причем при монотонном изменении внешних условий достигают предела, при этом в них возникают скачкообразные переходы между метастабильными состояниями, которые удерживают систему вблизи критического порога. Важно, что амплитуды скачков не зависят ог величии воздействий или флуктуации, даже слабое возмущение может породить лавину громадного размера. Особенностью является то, что система самоорганизуется, приобретая некий постоянный в среднем параметр, например, у насыпаемой кучи песка - угол склона. Система сама так поддерживает собственное критическое состояние, для этого не надо подстраивать какие-либо ее параметры,, в чем и заключается сущность СОК.

На возможность реализации СОК в джозефсоновской среде впервые указал в 1994 г. СЛ. Гинзбург. В сложных джозефсоновских структурах, при больших критических параметрах обладающих офомным числом метастабильных состоянии, возможно наблюдение проявлений СОК, в частности, движение магнитного потока с образованием лавин флуксопов.

Очень важной является задача создания для исследования СОК экспериментальной модели с хорошо контролируемыми параметрами, в качестве когорои могут быть успешно использованы Л-рсшстки; к тому же для них существуют достаточно хорошо развитые теоретические модели.

Цель работы заключалась в изготовлении и экспериментальном исследовании транспортных и магнитных свойств регулярных джозефсоновских решеток с большим количеством ячеек, с различным дизайном и большими критическими токами.

Согласно с этим были поставлены следующие задачи:

1. Изготовить регулярные решетки джозефсоновских переходов с различным числом ячеек и туннельными контактами с плотностью критических токов

•у до 7000 Л/см" с помощью магнетронного напыления, фотолитографии и химического травления, термического осаждения и взрывной фотолитографии.

2. Модернизировать созданный в лаборатории СКВИД-магнигометр с целью повышения его чувствительности, а также температурной и временной стабильности. Автоматизировать сбор и обработку данных.

3. Экспериментально исследовать в зависимости от магнитною поля и температуры магнитные свойства .1-решеток с туннельными переходами, с разными конфигурациями контактов и различными критическими токами. Изучить особенности движения магнитного потока в регулярных джозефсоновских структурах с туннельными барьерами высокой прозрачности, исследовать кроссовер между областями с квазинепрерывным и квазидискретным характером движения флуксопов (квантов магнитного потока).

4. Изучить неустойчивости магнитного потока в исследуемой структуре, проявляющиеся в виде лавин, а также провести их статистический анализ. Уточнить условия возникновения состояния самоорганизованной критичности в таких структурах, что имеет прямое отношение к развитию катастрофических природных процессов.

Научная новизна:

1. Впервые предложено применение схемы модифицированного градиомегрд второго порядка для приемных катушек СКВПД-магнитометра, что позволило повысить стабильность в непрерывном режиме, а также уменьшить фоновый сигнал от держателя образца и микрофонный шум от образна.

2. Впервые на оригинальном СКВИД-магнитометре исследованы магнитные свойства джозефсоновских решеток с регулярной структурой, с высокой прозрачностью туннельных барьеров и высокими плотностями критических токов. Проведено сравнение экспериментальных кривых намагничивания с теоретическими кривыми, которое показало совпадение вплоть до деталей в квазигидродинамической области.

3. Впервые экспериментально наблюдались проявления самоорганизованной критичности в регулярных джозефсоновских структурах.

4. Впервые получены статистические данные по лавинам магнитного потока, которые ясно показали существование двух участков с различной степенной зависимостью частоты появления лавин от их амплитуд. Обнаружен резкий кроссовер, когда показатель степени меняется от значения -0.7 до -9.

Практическая ценность.

Явления джозефсоновской генерации в ,1-решетке и работа джозефсоновских логических элементов тесно связаны с динамикой магнитного потока, поэтому изучение магнитных свойств .1-решетки будет способствовать лучшему пониманию путей решения проблем при создании источников джозефсоновско-го излучения достаточной мощности, а также компьютеров нового поколения

Структура диссертации

В нерпой главе, в п. 1.1 дано описание физических принципов, лежащих в основе свойств джозефсоновских контактов. В и. 1.2 проведен обзор теоретических работ, посвященных исследованию магнитных и транспортных свойств регулярных джозефсоновских структур. В п. 1.3 проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию явления самоорганизованной критичности (СОК). В конце обзора дана постановка задачи.

Во второй главе, п.2.1 описаны методики изготовления джозефсоновских решеток и экспериментального измерения вольт-амперных характеристик, критического тока отдельного контакта и тока депиннинга в решетке контактов. В п.2.2 описаны методики измерения зависимости магнитного момента от температуры и внешнего .магнитного поля. Подробно рассматриваются методики измерения транспортных свойств и магнитных характеристик образцов, рассматриваются проблемы, с которыми пришлось столкнуться при проведении эксперимента, и методы их разрешения. Обсуждаются вопросы оптимизации приемных катушек трансформатора потока СКВИД-магиитометра, вопросы управления астатизмом системы соленоид - приемные кагушки.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования магнитной динамики решеток джозефсоновских переходов в режиме прямого намагничивания. Произведено сравнение и показано хорошее соответствие между экспериментальными и теоретическими кривыми намагничивания в гидродинамическом пределе. Проведен статистический анализ скачков намагничивания (лавин магнитного потока), и показано, что динамика джозефсоноп-ской решетки в режиме больших критических параметров соответствует- состоянию СОК.

В заключении сформулированы основные выводы данной работы.

Ha mmnTv иыносятся:

1. Результаты исследования вопроса оптимизации приемной системы СКВПД -магнитометра и экспериментальной реализации полученных выводов.

2. Результаты измерений вольт-амперных характеристик джозефсоновских контактов, и полученные температурные зависимости критических токов.

3. Результаты измерений магнитного момента джозефсоновских решеток в режиме прямого намагничивания при различных температурах.

4. Результаты исследования статистических свойств лавин магнитного потока в джозефсоновских решетках с туннельными контактами.

Апрооапия. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях: Euro-Asian symposium "Trends in magnetism", Ekaterinburg, Russia, 27 February- 2 March, 2001; Moscow International Symposium on Magnetism, Moscow, June 20-24, 2002; 23rd International Conference on Low Temperature Physics. Hiroshima, Japan August 20-27, 2002; Vl-bilateral Russian-German symposium "Physics and chemistry of advanced materials", Novosibirsk, August 18-27, 2002; 2nd International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems. Kyev, Sept. 12-15, 2003; 2nd Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism" Kiren-sky Institute of Physics, Krasnoyarsk, 24-27 August, 2004; 1-я Международная конференция "Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости" (ФПС'04) 18-22 Октября 2004, Москва, а также на 32 Всеросс. совещание по физике низких температур, тезисы докладов секции SC: "Сверхпроводимость", Казань, 3-6 октября 2000; XXXIII совещании но физике низких температур, Екатеринбург, 17-20 июня, 2003. Результаты опубликованы в центральных и зарубежных журналах [1-5] Всего по теме диссертации опубликовано 19 работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Джозефсоновские сетки обладают рядом преимуществ в качестве модельного объекта для экспериментального изучения СОК. В этой модели молено легко изменять внутренние и внешние условия и изучать их влияние на характеристики СОК, на что недавно указал один из создателей теории самоорганизованной критичности Курт Визенфельд [59]. Данная экспериментальная модель дает возможность расчетов магнитной динамики .[-сетки на основе хорошо развитых представлений и позволяет проверить адекватность применяемых при этом подходов.

Вынесенные на защиту работы пока остаются единственными, где исследовалось поведение магнитного момента при непрерывном намагничивании регулярных .1-решеток. При этом в динамике магнитного потока в них наблюдались проявления СОК в виде лавин флуксонов, имеющих степенные зависимости вероятности появления лавин от их размеров, а также спектр. Следует отметить, что это явление было также обнаружено недавно в поликристаллических ииобиевых пленках [112] и [75], практически одновременно с первой нашей работой 2000 года по наблюдению СОК в джозефсоновской решетке [2]. По утверждению авторов работы [112] у них наблюдалась степенная зависимость распределения при изменении амплитуд от 1 до 100, хотя проведенная но точкам зависимость в двойном логарифмическом масштабе является скорее выпуклой кривой, нежели прямой. Авторы работы [75] утверждают, что они наблюдали экспоненциальную зависимость функции распределения, в связи с чем они ассоциируют с самоорганизованной критичностью именно такой вид зависимости. На самом деле многие расчетные модели дают подобное распределение по амплитудам, которое выглядит в двойном логарифмическом масштабе скорее выпуклой кривой с завалом при больших амплитудах, чем прямой (например, [84]).

Отсутствие экспериментальных работ по магнитным свойствам джозефсо-новских решеток в мировой литературе, видимо, связано с трудностями прецизионных измерений деталей поведения малых магнитных моментов, какими обладают исследованные решетки, и трудностями прямых измерений в режиме развертки поля. Необходимо также преодолеть большие технологические сложности для изготовления джозефсоновских переходов с высокими плотностями критические токов. Вследствие этого полученные результаты до сих пор остаются уникальными.