Неупругое туннелирование куперовских пар с участием фононов в с- направлении в одиночных и стопочных контактах на микротрещине в Bi-Sr-Ca-Cu-O тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ



ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ШАБАЛИН МИХАИЛ ЕВГЕНЬЕВИЧ

НЕУПРУГОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ КУНЕРОВСКИХ ПАР С УЧАСТИЕМ ФОНОНОВ В С-НАПРАВЛЕНИИ В ОДИНОЧНЫХ И СТОПОЧНЫХ КОНТАКТАХ НА МИКРОТРЕЩИНЕ В В1-8г-Са-С и-0

Специальность-01. 04. 10 Физика полупроводников и диэлектриков

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико — математических наук

" На правах рукописи УДК 537.312.62

МОСКВА

доктор физико - математических наук

Г.Н. Михайлова доктор физико - математических наук

Я.Г. Пономарев

Научные руководители:

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 4

ГЛАВА 1. ОДНОЧАСТИЧНОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ И ЭФФЕКТ ДЖОЗЕФСОНА В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКАХ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ................................. 11

1.1. Структура и физические свойства ВТСП.............................................. 11

1.2. Теоретические модели высокотемпературной сверхпроводимости

и их экспериментальная проверка..................................................................................................................21

1.3. Туннельный эффект в сверхпроводниках..........................................................................................28

1.4. Специфика туннельного эффекта в сверхпроводниках. Туннелиро-вание с участием фононов..........................................................................................................................................32

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ I(V>, dI(V)/d(V)-, И d2I(V)/dV2-ХАРАКТЕРИСТИК КОНТАКТОВ НА МИКРОТРЕЩИНЕ В ВТСП В ШИРОКОМ ТЕМПЕРАТУРНОМ ИНТЕРВАЛЕ ВО ВНЕШНИХ СВЧ- И МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ................................. 40

2.1. Автоматический цифровой мост для регистрации I(V)-, dI(V)/dV- и

О О

d I(V)/dV - характеристик туннельных контактов............................. 40

2.2. Методика приготовления контактов на микротрещине в поликристаллах и пластинчатых монокристаллах Bi-Sr-Ca-Cu-0 (2212 и 2223 фазы)................................................................................................ 51

2.3. Основные характеристики использованных в работе ВТСП образцов.................................................................................................... 54

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУПРУГОГО ТУННЕЛИРОВАНИЯ КУПЕРОВСКИХ ПАР В ОДИНОЧНЫХ КОНТАКТАХ НА МИКРОТРЕЩИНЕ В Bi-Sr-Ca-Cu-0.............. 59

3.1. Туннельный эффект в контактах на микротрещине в пластинчатых монокристаллах и поликристаллических образцах.............................. 60

3.2. Тонкая структура на В АХ SIS контактов при токе fc

с- направлении......................................................................................... 74

3.3. Влияние температуры, магнитного поля и внешнего СВЧ-излучения на ВАХ джозефсоновских контактов.................................. 77

3.4. Взаимодействие переменного джозефсоновского тока с оптическими фононами в Bi-Sr-Ca-Cu-О.......................................................... 95

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВАХ СТОПОЧНЫХ КОНТАКТОВ НА МИКРОТРЕЩИНЕ В Bi-Sr-Ca-Cu-0... 101

4.1. Туннельный эффект в стопочных контактах на микротрещине в пластинчатых монокристаллах и поликристаллических образцах Bi-Sr-Ca-Cu-О...........................................................................................

4.2. Влияние переменного джозефсоновского тока на ВАХ стопочных контактов на микротрещине Bi-Sr-Ca-Cu-О......................................... 115

4.3. ВАХ стопочных контактов на микротрещине в пластинчатых монокристаллах и поликристаллических образцах Bi-Sr-Ca-Cu-О в с-направлении и симметрия параметра порядка................................. t

lio

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .......................................................................................................... 12S

ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................ 128

ВВЕДЕНИЕ

Высокотемпературные сверхпроводники (ВТСП), открытые в 1986 году Беднорцем и Мюллером [1], обладают рядом преимуществ перед классическими сверхпроводниками. Необычайно высокое значение критической температуры позволяет создавать на их основе приборы с рекордными характеристиками, работающие при температуре жидкого азота. Величина энергетической щели, превосходящая более чем на порядок ее значение в классических сверхпроводниках, существенно увеличивает диапазон джозефсоновских частот, а также величину выходного сигнала и динамический диапазон сверхпроводящих квантовых интерферометров, перестраиваемых высокочувствительных гетеродинных детекторов на базе SIS- (сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник) переходов, смесителей и локальных осцилляторов, работающих в интервале частот вплоть до десятков терагерц. Однако, сильная неоднородность состава, многофазность, анизотропия физических свойств, склонность к дефектообразованию в сочетании с крайне малой длиной когерентности в ВТСП, соответствующей нескольким ангстремам, существенно усложняют практическое внедрение ВТСП устройств. Первые же экспериментальные исследования джозефсоновских контактов показали, что щелевая структура на вольтамперных характеристиках туннельных переходов сильно размьгга, имеется значительный избыточный ток при субщелевых смещениях. Таким образом, потенциальные возможности приборов, использующих туннельные структуры на основе ВТСП и не решенные до сих пор проблемы реального их создания показывают актуальность экспериментального изучения свойств джозефсоновских ВТСП контактов.

В отличие от классических сверхпроводников, уникальным свойством ВТСП материалов с критической температурой порядка 100К является то, что диапазон джозефсоновских частот при достаточно низких температурах полностью перекрывает фононный спектр этих материалов, что позволяет изучать взаимодействие переменного джозефсоновского тока с фононными

модами с самыми высокими энергиями, включая оптические колебания.

Как правило, вольтамперные характеристики туннельных SIS (сверхпроводник - изолятор- сверхпроводник) контактов на базе ВТСП отличаются сильным размытием щелевой структуры, существенным избыточным током при субщелевых смещениях. Такие ВАХ часто демонстрируют дополнительные особенности, отсутствующие в классических SIS-контакгах, как-то пик проводимости при нуле напряжения, или провал на dI(V)/dV- зависимости ("dip") при смещении выше щелевого. Поэтому для описания сверхпроводящих свойств купратов в последнее время привлекаются теоретические модели, основанные на d- спаривании. Особенность d-симметрийного сверхпроводника заключается в наличии направлений в к-пространстве, где величина параметра порядка равна нулю, а при обходе этих направлений параметр порядка меняет знак, т.е. фаза волновой функции сдвигается на 180°. При туннелировании происходит усреднение параметра порядка, поэтому характеристики туннельного перехода в d- сверхпроводнике принципиально размыты. Такие расчеты были выполнены в работах [2], [3], где было показано, что при туннелировании квазичастиц в с - направлении в симметричном SIS контакте на базе высокотемпературного сверхпроводника с чисто d - симметрийным спариванием, щелевая структура на ВАХ сильно размыта. В зависимости от использованного автором приближения (сферическая или цилиндрическая поверхность Ферми), квазичастичная ветвь ВАХ при j||c несколько меняется, однако, в качественном отношении размытый характер щелевой особенности на I(V)- характеристике сохраняется даже в случае большого времени жизни квазичастиц.

Следовательно, получение качественных характеристик при токе в с -направлении может служить способом проверки правильности теории d -спаривания. Сильная анизотропия электрических свойств ВТСП позволяет рассматривать их как сверхрешетку проводящих Си02 плоскостей, разделенных изолирующими блоками переменного состава (в BiSrCaCuO это слои Bi-0 и Sr-O). В силу малой длины когерентности при токе в с- направлении

(перпендикулярно Cu02- плоскостям) кристалл ВТСП представляет собой стопку последовательно соединенных джозефсоновских контактов. Перспективность исследования таких SISI...- структур с ограниченным числом слоев связана с качеством интерфейса, так как образующийся барьер есть собственный материал сверхпроводника, и искажения ВАХ в этом случае будут минимальны. Преимущества практического применения стопочных контактов заключаются в увеличении мощности излучения из джозефсоновских переходов и расширении динамического диапазона SIS- приемников пропорционально числу контактов в стопке.

Цель настоящей работы заключалась в экспериментальном исследовании тонкой структуры на ВАХ одиночных и стопочных джозефсоновских контактов на криогенных сколах в поликристаллах и пластинчатых монокристаллах Bi-Sr-Ca-Cu-0 при токе в с- направлении. Полученные результаты использовались для проверки теории [4], описывающей неупругое туннелирование куперовских пар с участием оптических раман- активных фононов.

В работе проводились следующие исследования:

1. Измерение I(V) и dI(V)/dV - характеристик одиночных и стопочных джозефсоновских контактов на микротрещине в пластинчатых монокристаллах Bi2Sr2CaCu208 и поликристаллических образцах, содержащих смесь 2212 и 2223 фаз при гелиевых температурах;

2. Измерение I(V) и dI(V)/dV - характеристик одиночных и стопочных джозефсоновских контактов на микротрещине в пластинчатых монокристаллах Bi2Sr2CaCu208 и поликристашшческих образцах, содержащих смесь 2212 и 2223 фаз в слабых магнитных полях и во внешнем СВЧ поле при Т=4.2К;

3. Измерение I(V) и dI(V)/dV - характеристик одиночных и стопочных джозефсоновских контактов на микротрещине в пластинчатых монокристаллах Bi2Sr2CaCu208 и поликристаллических образцах, содержащих смесь 2212 и 2223 фаз в диапазоне температур от Т=4,2К до критической.

Результаты измерений использовались для решения следующих задач:

1. Определение основных особенностей резонансной структуры на В АХ джозефсоновских ВьБг-Са-Си-О - контактов (] ¡| с ), вызванной сильным нелинейным взаимодействием джозефсоновского тока с оптическими фононными модами кристалла.

2. Определение значения величины щелевого параметра А в В128г2СаСи208 в равновесных условиях из данных по туннелированию в одиночных джозефсоновских контактах.

3. Установление влияния переменного джозефсоновского тока на форму В АХ туннельных контактов в стопочном режиме.

4. Определения применимости теории [4] для описания вольт - амперных характеристик джозефсоновских контактов.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Доказано, что тонкая структура на ВАХ джозефсоновских контактов в ВьБг-Са-Си-О при токе в с- направлении вызвана сильным нелинейным взаимодействием переменного джозефсоновского тока с раман- активными оптическими фононными модами кристалла - так называемым неупругим туннелированием куперовских пар.

2. Обнаружено, что при гелиевой температуре при отсутствии джозефсоновского тока ВАХ стопочных контактов на базе оптимально допированных или передопированных образцов содержит участок вертикального роста тока и характеризуется малым избыточным током при субщелевых смещениях, что находится в явном противоречии с теорией чистого ё-спаривания и свидетельствует о существенной роли э-компоненты по крайней мере при токе в с- направлении.

3. Дополнительное ветвление на ВАХ стопочных характеристик объяснено эмиссией когерентных оптических фононов, вызванной переменным джозефсоновским током.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что в ходе исследований стопочных SIS контактов при гелиевой температуре получены ВАХ, содержащие участок вертикального роста тока при щелевом смещении 2A-N, где N - число контактов в стопке. Это в принципе позволяет использовать стопочные туннельные переходы в качестве детекторов и смесителей в диапазоне частот вплоть до десятков терагерц. При этом джозефсоновский контакт может служить перестраиваемым генератором электромагнитного излучения. В то же время наличие сильного электрон-фононного взаимодействия приводит к невозможности использования ВТСП- устройств по крайней мере при частотах, совпадающих с фононным спектром материала, так как при этом энергия системы переходит в возбуждение колебаний кристаллической решетки. Джозефсоновский контакт, таким образом, становится генератором монохроматического теразвука.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе диссертации обсуждаются основные физические свойства ВТСП, а также дается обзор современных теоретических моделей сверхпроводимости купратов и их сравнение с экспериментальными данными. Подробно рассмотрены особенности туннельного эффекта в ВТСП и возможные причины отклонения результатов в сравнении с данными, полученными на классических сверхпроводниках. Анализируются теоретические и экспериментальные работы, посвященные внутреннему эффекту Джозефсона в с- направлении в ВТСП - материалах.

Во второй главе приведено описание компьютеризированной экспериментальной установки для автоматической записи I(V)-, dI(V)/dV- и d I(V)/dV- характеристик туннельных структур в широком диапазоне температур от гелиевой до критической во внешних магнитных и СВЧ- полях. Рассмотрена методика формирования контактов на микротрещине на базе ВТСП. Представлены параметры исследованных образцов.

В третьей главе диссертации излагаются результаты исследования одиночных джозефсоновских контактов на микротрещине в В1-8г-Са-Си-0 в пластинчатых монокристаллах фазы 2212 и поликристаллических образцах, содержащих смесь фаз 2212 и 2223. На вольтамперных характеристиках (ВАХ) туннельных контактов сверхпроводник - изолятор - сверхпроводник (8-1-8) при токе в с-направлении обнаружена тонкая структура, проявляющаяся как локальное ветвление (резонансы) 1(У)-характеристик или в виде серии провалов на графике динамической проводимости с!1(У)/ёУ. Из многочисленных данных следует, что положение структуры не зависит от геометрии образца, величины щелевого параметра А, температуры, приложенного магнитного поля и внешнего СВЧ- излучения. Появление резонансов связано с обязательным присутствием джозефсоновского тока. При подавлении джозефсоновского тока перестройкой контакта или магнитным полем особенности на ВАХ исчезают. Установлено, что положение структуры совпадает со спектром раман- активных фононов материала. Происхождение обнаруженной структуры объяснено неупругим туннелированием куперовских пар в с- направлении, что сопровождается излучением когерентных раман- активных фононов при напряжениях Урез^Шфод^е, ШфОН-частота фононной моды. Полученные результаты находятся в качественном согласии с расчетами [4] и свидетельствуют о наличии сильного электрон-фононного взаимодействия в В1-8г-Са-Си-0.

Из данных по одночастичному туннелированию, полученных в однокон-такгном режиме, также установлено, что в равновесных условиях для Вь8г-Са-Си-0 фаз 2212 и 2223 отношение 2А/кТс = 7 ± 0,5.

В четвертой главе диссертации представлены результаты исследования ВАХ джозефсоновских переходов в стопочном режиме. Стопочный режим реализуется при расколе образца, если в область контакта попадает тонкий слой, имеющий толщину в несколько элементарных ячеек. Туннельный ток при этом направлен перпендикулярно Си02- плоскостям. Обнаружено, что стопочные ВАХ содержат участок вертикального роста тока при щелевом смещении и крайне незначительный избыточный ток при субщелевых смещениях. Таким

образом, характеристики стопочных туннельных переходов находятся в явном противоречии с расчетами в рамках модели чистого <1- спаривания и свидетельствуют о существенном вкладе б- спаривания в формирование сверхпроводящего состояния ВТСП. Установлено, что искажение щелевой структуры на ВАХ связано с локальным перегревом образца и инжекцией неравновесных носителей в область контакта. Обнаруженное в эксперименте дополнительное ветвление на ВАХ стопочных характеристик объяснено эмиссией когерентных оптических фононов, вызванной переменным джозефсоновским током.

ГЛАВА I. ОДНОЧАСТИЧНОЕ ТУННЕЛИРОВАНИЕ И ЭФФЕКТ ДЖОЗЕФСОНА В ВТСП

1.1.Структура и физические свойства ВТСП

Прогресс в понимании физики ВТСП зависит от надежности экспериментальных данных, которые, в свою очередь, связаны с качеством используемых ВТСП материалов. Получение однородных, однофазных кристаллов затруднено из-за сложности химического состава, множества структурных переходов. В настоящее время имеется несколько семейств термодинамически стабильных медных оксидов, обладающих металлической проводимостью: родоначальник всех синтезированных ВТСП - простейшая система Ьа2.хМхСи04, или 214 (М - двухвалентный ион Ва2+, 8г2+, Са2+); соединения КВа2Си307^, или 123 (Я - редкоземельный ион), и, наконец, сложные многокомпонентные купраты, представляемые как (ТН, Т1, РЬ, Щ)т(8г, Ва)2Сап.1СипОх, т,п=1,2,..., обладающие чрезвычайным разнообразием стехиометрических и нестехиометрических (дефектных) составов и фаз, в том числе с наивысшими достигнутыми Тс.

Общим для структур всех известных меднооксидных материалов является большой размер перовскитной примитивной ячейки (постоянные решетки а, ¿«4 А, с«30 А), резко выраженное слоистое строение и способность в больших пределах варьировать содержание кислорода, от которого в значительно�