Влияние двупримесных квантовых резонансно-перколяционных траекторий на параметры флуксона в неупорядоченном S-I-S-контакте

Лозин, Олег Игоревич

Влияние двупримесных квантовых резонансно-перколяционных траекторий на параметры флуксона в неупорядоченном S-I-S-контакте тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Лозин, Олег Игоревич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новочеркасск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Влияние двупримесных квантовых резонансно-перколяционных траекторий на параметры флуксона в неупорядоченном S-I-S-контакте»

Автореферат диссертации на тему "Влияние двупримесных квантовых резонансно-перколяционных траекторий на параметры флуксона в неупорядоченном S-I-S-контакте"

005059259

На правах рукописи

ЛОЗИН Олег Игоревич

ВЛИЯНИЕ ДВУПРИМЕСНЫХ КВАНТОВЫХ РЕЗОНАНСНО-ПЕРКОЛЯЦИОННЫХ ТРАЕКТОРИЙ НА ПАРАМЕТРЫ ФЛУКСОНА В НЕУПОРЯДОЧЕННОМ КОНТАКТЕ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 6 МАЙ ¿013

Ростов-на-Дону - 2013

005059259

Работа выполнена на кафедре "Физика" Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), г. Новочеркасск

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Кирнпчепков Валерий Яковлевич (ЮРГТУ(НПИ), Новочеркасск)

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор

физико-математических паук, профессор Гуфаи Юрий Михайлович (ЮФУ, Ростов-па-Дону)

доктор технических наук, доцент Князев Сергей Юрьевич (ДГТУ, Ростов-иа-Доиу)

Ведущая организация: Волгоградский государственный университет

Защита диссертации состоится 24 мая 2013 года в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.05 по специальности 01.04.07- "физика конденсированного состояния" при Южном федеральном университете в здании НИИ физики ЮФУ по адресу: 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194, ауд. 411

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке ЮФУ по адресу: г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148

Автореферат разослан 19 апреля 2013 года

Опыны на автореферат, заверенные подписью рецензента и печатью учреждения, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д212.208.05 при ЮФУ по адресу: 344090, г.Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194. НИИ физики ЮФУ

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.208.05 при ЮФУ

Гегузина Г.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Физика джозефсоновских S-I-S (S - сверхпроводник, I— изолятор) контактов относится к активно исследуемым в настоящее время разделам теории конденсированного состояния вещества. Джозефсонов-ские контакты представляют значительный интерес, как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения их применения в измерительной технике, высокочастотной электронике, радиотехнике и многих других областях. Одним из перспективных направлений применения джозефсоновских переходов является вычислительная техника, так, например, они могут служить узлами в элементах памяти и логических устройствах, а носителями информации в таких устройствах могут быть флуксоны [1-3]. Флуксон, или джозефсоновский вихрь представляет собой вихретоковый солитои, который возникает в S-I-S контакте в сверхкритическом магнитном поле и может, не изменяя формы, перемещаться вдоль "идеального" перехода, перенося квант магнитного потока. Возможность накапливать флуксоны и пересылать их вдоль перехода может быть использована при создании систем записи и передачи информации. При этом каждый флуксон может быть использован в качестве носителя одного бита информации. Такие системы обладали бы очень высоким быстродействием, поскольку характерное время, необходимое на образование флуксона и его транспорт вдоль перехода, мало и составляет порядка 10~12 с [1].

Однако эффективное трение флуксона о неоднородности в туннельном контакте замедляет его движение и при отсутствии внешних сил, создаваемых напряжением, приложенным к пластинам перехода, флуксон, в конце концов, останавливается, "зацепляясь" за неоднородности (пшшинг). Следовательно, при описании реальных S-I-S контактов необходимо учитывать, в частности, и неоднородности туннельной проводимости I-слоя в плоскости контакта, обусловленные случайно расположенными в нем примесями, поэтому теория неупорядоченных систем, являющаяся актуальной и активно развивающейся областью физики конденсированного состояния, находит применение при описании свойств таких контактов.

В случае слабого структурного беспорядка (т.е. малых концентраций примеси в I-слое) в области энергий вблизи однопримесного локального элек-

тронного уровня Ео определенные пространственные конфигурации примесных центров приводят к возникновению в неупорядоченном /-слое случайных квантовых резонансно-перколяционных траекторий (КРПТ) [4] - путей, вдоль которых коэффициент прохождения для туннелиругощих электронов порядка единицы. При этом в ближайшей к ео области энергий наибольшее влияние на статику и динамику флуксона будут оказывать однопримесные КРПТ [5]. Вместе с тем остается вопрос: оказывают ли существенное влияние т-примесные {т = 2, 3,...) КРПТ на параметры флуксона за пределами этой узкой области энергий? Поэтому тема диссертации, посвященной нахождению в пространстве существенных параметров контакта областей, в которых параметры флуксона определяются двупримесными КРПТ (т = 2), и решению вопроса о влиянии на параметры флуксона КРПТ ст>2, является актуальной.

Цель работы: выявить особенности влияния двупримесных КРПТ на статику и динамику джозефсоновского вихря в контакте со слабым

структурным беспорядком в /-слое при температуре Т= 0.

Для достижения поставленной цели с помощью методов, разработанных в [4-10], решались следующие задачи:

- в пространстве существенных параметров неупорядоченного контакта найти области, в которых двупримесные КРПТ оказывают основное влияние на нижнее критическое поле контакта, силу пиннинга флуксона и ток "смещения", компенсирующий радиационные потери движущегося флуксона;

- исследовать влияние двупримесных КРПТ на мезоскопические флуктуации нижнего критического поля неупорядоченного контакта;

- определить степень влияния /и-примесных КРПТ (т > 2) на параметры флуксона в неупорядоченном контакте.

Методы исследований. Поставленные задачи решались на основе развитой в [4] теории КРПТ. Для описания неупорядоченного /-слоя применялась модель структурного беспорядка И.М. Лифшица [11]. Использовались методы современной теоретической физики конденсированного состояния, в частности, методы квантовой теории неупорядоченных систем, методы математической физики и компьютерного моделирования.

Объектом исследования являются джозефсоновские контакты со слабым структурным беспорядком в /-слое. Типичные параметры таких контактов [1,2] использовались при компьютерном анализе математических моделей.

Научная новизна работы

На основе "вириальных" разложений по КРПТ для параметров флуксо-на в неупорядоченном контакте при температуре Т= О [5] впервые проведено детальное сравнительное численно-аналитическое исследование вкладов однопримесных и двупримесных КРПТ в величину нижнего критического поля неупорядоченного контакта, силу пиннинга флуксона и плотность тока радиационных потерь движущегося флуксона.

На плоскости параметров (ц - е0, с), где р, - уровень Ферми контакта, Ео — энергия однопримесного локального электронного уровня, с — концентрация примеси в /-слое, впервые найдена область преобладающего влияния двупримесных КРПТ на величину нижнего критического поля неупорядоченного /-5 контакта, построена линия кроссовера, разграничивающая области преимущественного влияния однопримесных и двупримесных КРПТ на нижнее критическое ноле, показано, что область преимущественного влияния двупримесных КРПТ значительно шире, чем однопримесных. Установлено, что для типичных параметров контакта влияние /и-примесных КРПТ (т > 2) на нижнее критическое поле несущественно, так как соответствующий вклад оказывается значительно меньшим, чем нижнее критическое поле "пустого" (без примесей в /-слое) $-/-$ контакта.

Впервые показано, что вклад в мезосконические флуктуации нижнего критического поля неупорядоченного ¿'-/-5 контакта, обусловленный двупри-месными КРПТ, значительно больше, чем соответствующий вклад однопримесных, в обширной области параметров на плоскости (ц - Ео, с) и слабее подавляется, чем вклад однопримесных КРПТ, при увеличении площади контакта.

На плоскости (ц — £о, с) впервые найдена область преобладающего влияния двупримесных КРПТ на силу пиннинга флуксона в неупорядоченном контакте, показано, что эта область параметров значительно шире, чем

область преобладающего влияния на силу пиннинга однопримесных КРПТ, построена линия кроссовера, разделяющая эти области. Установлено, что для типичных параметров контакта вклад в силу пиннинга, обусловленный т-примесными (т > 2) КРПТ, существенно меньше, чем суммарный вклад одно-и двупримесных КРПТ.

В пространстве параметров (ц -ео, с, Р), где (3- нормированное напряжение на контакте, на "сечениях" (ц- £о, с, р = const), (ц-го, с — const, Р), (ц-£о = const, с, Р) впервые найдены области преобладающего влияния двупримесных КРПТ на величину плотности тока "смещения", компенсирующего радиационные потери, обусловленные рассеянием движущегося флуксона на неупорядоченной системе примесей в I-слое, показано, что эти области значительно шире, чем соответствующие области для однопримесных КРПТ, построены линии кроссовера, разделяющие эти области. Установлено, что для типичных параметров контакта вклад в плотность тока "смещения", обусловленный рассеянием флуксона на от-примесных КРПТ (т > 2) существенно меньше, чем суммарный вклад одно- и двупримесных КРПТ.

Научная и практическая значимость работы. Для описания реальных контактов необходимо привлекать представления о слое изолятора как о неупорядоченной системе. Наличие примесей в. слое изолятора представляет собой один из наиболее распространенных видов структурного беспорядка, влекущий за собой специфические изменения свойств контакта по сравнению с "пустым", т.е. не содержащим примесей в I-слое, контактом. Научная значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты углубляют представления о физических процессах в неупорядоченных S-I-S контактах, находящихся во внешнем магнитном поле.

Практическая значимость работы обусловлена возможностью применения ее результатов при проектировании устройств микро- и наноэлектроники, элементами которых служат джозефсоновские контакты. В частности, результаты работы могут быть полезны при создании элементной базы компьютеров новых поколений.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Существуют области существенных параметров джозефсоновского туннельного контакта со слабым структурным беспорядком в I-слое, в

которых при температуре Т= 0 определяющее влияние на электродинамику контакта оказывают двупримесные КРПТ.

2. Области преобладающего влияния двупримесных туннельных ре-зонансов на нижнее критическое магнитное поле контакта, силу пиннинга флуксона и ток "смещения", компенсирующий радиационные потери движущегося флуксона, в пространстве параметров (ц - ео, с, Р) описываются в рамках теории КРПТ.

3. В пространстве существенных параметров /-5 контакта области преимущественного влияния однопримесных и двупримесных КРПТ разграничиваются линией кроссовера; область преимущественного влияния двупримесных КРПТ на нижнее критическое поле контакта, силу пиннинга флуксона и ток "смещения" значительно шире, чем соответствующая область для однопримесных КРПТ.

4. Мезоскопические флуктуации нижнего критического поля, обусловленные наличием двупримесных КРПТ, являются преобладающими в обширной области параметров на плоскости (ц - ео, с) и слабее подавляются при увеличении площади контакта по сравнению с флуктуациями, обусловленными однопримесными КРПТ.

5. Влияние КРПТ с т > 2 на электродинамику контакта является несущественным для типичных параметров контакта.

Достоверность результатов, полученных в работе, в основном определяется тем, что они получены в рамках теории, развитой в давно ставших классическими работах И.М. Лифшица и В.Я. Кирпиченкова [4, 11], в последней из которых построена теория КРПТ в неупорядоченных /-слоях. Результаты компьютерного моделирования, проделанного автором, и выводы, сделанные в диссертации, согласуются с научными представлениями, сложившимися в данной области исследований.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на следующих симпозиумах: Междунар. симп. "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" - ODPO (п. Лоо, 2007, 2008, 2009); Междунар. симп."Упорядочение в минералах и сплавах" - ОМА (п. Лоо, 2009, 2010); Междунар. междисциплинарном симп. "Физика низкоразмерных систем и поверхностей" - LDS-2 (п. Лоо, 2010).

Публикации. По теме работы опубликовано 13 печатных работ, написанных в соавторстве. Список приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора. Автором исследовано влияние двупримесных КРПТ на нижнее критическое поле неупорядоченного S-J-S контакта и его ме-зоскопические флуктуации, силу пиннинга флуксона и ток "смещения", компенсирующий радиационные потери флуксона при его рассеянии на КРПТ, а также найдены области в пространстве существенных параметров контакта, в которых главный вклад в эти физические величины дают двупримесные КРПТ. Выбор темы исследования, постановка задач и обсуждение полученных результатов проводились совместно с научным руководителем, профессором В.Я. Кирпиченковым.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 132 страницах машинописного текста, и содержит 40 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 57 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлены цели и задачи работы, охарактеризован объект и указаны методы исследования, описаны научная новизна и практическая значимость работы, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первый раздел посвящен обзору научных работ о влиянии резонансного туннелирования на свойства неупорядоченных барьеров, в ней приводятся основные сведения о КРПТ, теория которых построена И.М. Лифшицем и В.Я. Кирпиченковым в работе [4] на основе модели структурного беспорядка И.М. Лифшица [11].

В [4] показано, что возможно существование двух каналов стохастического упругого туннелирования: резонансное и нерезонансное. В первом случае показано, что в неупорядоченном /-слое существуют маловероятные конфигурации примесных центров, которые представляют собой образования, названные авторами работы квантовыми резонансно-перколяционными траекториями (КРПТ). Такие траектории являются путями, по которым частицы с энергиями вблизи однопримесного локального электронного уровня е0 могут туннелировать с коэффициентом прохождения D ~ 1. Поскольку нерезонансная прозрачность типичных барьеров чрезвычайно мала (D~ 10 8), то вероятности реализации КРПТ и энергетические ширины ассоциированных с ними туннельных резонансов в значительной степени определяют среднюю прозрачность неупорядоченного /-слоя. Отмечено, что теория КРПТ после ее создания успешно применялась и многими другими авторами к описанию свойств неупорядоченных систем, см. например, [6 - 7, 12 - 19]. Существуют и экспериментальные подтверждения присутствия КРПТ в неупорядоченных/-слоях [20].

Во втором разделе исследуется влияние двупримесных КРПТ на нижнее критическое поле неупорядоченного S-I-S контакта, для чего рассмотрена следующая модель S-I-S контакта со слабым структурным беспорядком в /-слое, находящегося в параллельном плоскости контакта магнитном поле при температуре Т= 0 [5]. Контакт представляет собой два одинаковых массивных сверхпроводника, разделенных плоским длинным Lz » к/ узким Lv«Xj (X/ - джозефсоповская глубина проникновения) слоем изолятора толщиной Lx (рис. 1). Регулярный (не возмущенный примесями) барьерный потенциал /-слоя С/о = const > ц, где ц - уровень Ферми контакта. В изолятор случайным образом вкраплены одинаковые, притягивающие электроны примеси с энергией однопримесного локального уровня Ео и радиусом локализации электронного состояния на нем a"1 =(UQ -е0)~1/2 (в принятой здесь системе единиц h = 1, масса и заряд электрона m = 1/2, е = 1). N » 1 примесей макроскопически однородно с плотностью п = N/ V распределены по объему слоя: V= LxLyLz. Рассматриваются значения безразмерной концентрации с = /за-3 «1, т.е. случай слабого структурного беспорядка.

Рисунок 1 - Джозефсоновский контакт с примесями в слое изолятора, помещенный в параллельное плоскости контакта магнитное поле (0, //,,, 0).

Размер флуксона порядка (X/- джозефсоновская глубина проникновения магнитного поля) Уровень Ферми ¡л находится вблизи ёо - внутри энергетического спектра резонансной туннельной прозрачности неупорядоченного I-слоя. Характерная энергетическая ширина у туннельного резонанса, существенного при рассматриваемых значениях |ц-Ео|, удовлетворяет соотношению А « у « ц, где А-модуль сверхпроводящего параметра порядка в ¿'-берегах: Ч7,2 = Ае'ф|Д. При этом, как обычно [13], А считается постоянным, не возмущенным наличием слабой туннельной связи между 5-берегами. В этих условиях для данной реализации случайной конфигурации примесей Гдг = {г},гг,} нижнее критическое поле можно представить в виде [2, 21]

свободная энергия, приходящаяся на единицу длины вдоль оси Оу уединенного флуксона, Фо - квант магнитного потока, ср = ф1 - фг — разность фаз сверхпроводящего параметра порядка в 5-берегах.

ЯС1(Гдг) = —^[фСГлг)],

(1)

где

СО

— 00

Специфика рассматриваемой модели заключается в том [5], что присутствие КРПТ в неупорядоченном I-слое приводит к тому, что джозефсо-иовская глубина проникновения Xj = Xj(\i-£0, z, Гд,) и разность фаз сверхпроводящего параметра порядка в 5-берегах ф = ф(ц — с0, z, ГЛ,) являются величинами, зависящими от случайной конфигурации примесей Г,v. Разность фаз удовлетворяет одномерному стационарному уравнению sin-Gordon [22]:

d Ф л -2 • —f = Xj віпф, dz

(3)

в котором случайный коэффициент Xвыражается через случайную локальную туннельную проводимость /-слоя.

Величина Xj представлена в виде

^(CT + vOl-Eo,^)],

где

V =

&Ї) '

<v> = 0,

(4)

(5)

при этом (у > « 1, а усреднение (...) осуществляется по ансамблю примесных конфигураций {Г//}.

В рамках этой модели для нижнего критического поля и его мезоско-пических структурных флуктуаций получены следующие формулы [А2]:

((5Hcl)2) JX~j2y Ша)2

УУ »7 = 1

\2L„

где

_->. яД . .

о)

. т=\

(Ц-Sq)2 у2 (и)

du,

(6)

(7)

(8) (9)

со

1-е0) = сг0 |

= J р„(и)ехр

Llm

2 ш —стки1 г,, 2 о/.,,,./!

2(ц~в0)2 у2 (и)

du, (10)

где рт(и) = а сте '"""' [и ■ 2{пш / L - 1)]"' - вероятность (на единицу площади барьерного слоя) образования от-примесной КРПТ с безразмерным "шагом" и, у(и) = 4аVe"" - энергетическая ширина зоны резонансной прозрачности вдоль КРПТ, L = aLx - безразмерная толщина /-слоя,

а0=ц(С/0-И)-(4714С/02Г'-

Показано, что на плоскости параметров (ц — ео, с) существует область, в которой главный вклад в нижнее критическое поле дают двупримесные КРПТ. Граница этой области определяется линией, на которой вклад в Нс\, даваемый двупримесными траекториями, сравнивается по величине с нижним критическим полем "пустого" контакта, и линией кроссовера, разграничивающей области, в которых основной вклад в Нс\ дают однопримесные и двупримесные КРПТ (см. рис. 3). Для типичных параметров контакта (Lx ~ 1 нм, ц < Uo ~ 10 эВ) эта область ограничена значениями |¡i- е0| á 10~2 эВ по энергии и 10~2 < с< Ю-1 по концентрации. Вклад двупримесных КРПТ в нижнее критическое поле приводит в максимуме к трехкратному превышению значения нижнего критического поля пустого контакта (см. рис. 2). Численные расчеты выполнены для значений: Lx = 1 нм, ц = 5 эВ, Uq = 10 эВ.

Мезоскопические флуктуации нижнего критического поля, обусловленные наличием КРПТ в I-слое, проявляются в узкой области энергий |ц-е0| < 10"2эВ для однопримесных КРПТ и в более широкой области |ц-Ео| á КГ1 эВ для двупримесных. Мезоскопические структурные флуктуации, обусловленные наличием двупримесных КРПТ, на порядок больше, нежели обусловленные однопримесными КРПТ, и с увеличением ширины контакта подавляются слабее (рис. 4), по сравнению с флуктуациями, обусловленными однопримесными КРПТ.

В третьем разделе в рамках модели (1)-(5) исследуется влияние двупримесных туннельных резонапсов на функцию распределения случайной силы зацепления (пиннинга) флуксона за КРПТ в неупорядоченном S-I-S контакте.

Рисунок 5 - Вклад в силу пиннинга, даваемый однопримесными (слева) и двупримесными (справа) КРПТ. Зависимости имеют резонансный характер по аргументу ц - Єо- "Раздвоение" пика по энергии на графике для двупримесных КРПТ связано с расщеплением резонансного уровня дім двупримесной КРПТ. Горизонтальная плоскость соответствует значению силы пиннинга, составляющему е-1 от максимального вклада двупримесных КРПТ

(А2)1'2

\1 - бо, эВ

Рисунок 6 - Вклад в силу пиннига однопримесных и двупримесных КРПТ, зависимость от разности (X - 8о и концентрации примеси с. Пунктирные линии - линии уровня для вклада однопримесных КРПТ, сплошные - линии уровня для вклада двупримесных. За единицу принята максимальная величина суммарного вклада однопримесных и двупримесных КРПТ. Заштрихована область преимущественного влияния двупримесных КРПТ и переходя к безразмерным переменным 16

-тд-1-1-

граница области параметров, в которой существенен вклад -КРПТ

Рисунок 7 - Зависимость плотности тока "смещения" от разности ц - е0 и концентрации примеси с при |3 = 0,5: вклад однопримесных (слева) и двупримесных (справа) КРПТ. За единицу принята максимальная величина суммарного вклада однопримесных и двупримесных КРПТ. Горизонтальная плоскость соответствует значению тока "смещения", составляющему е-1 от максимального вклада двупримесных КРПТ

* I0"J

Рисунок 8 - Зависимость плотности тока "смещения" от разности ц - ео и концентрации примеси с при р = 0,5. Пунктирные линии - линии уровня для вклада однопримесных КРПТ, сплошные - линии уровня для вклада двупримесных. За единицу принята максимальная величина суммарного вклада однопримесных и двупримесных КРПТ. Заштрихована область, в которой определяющим является вклад двупримесных КРПТ

7,(ц-ЕО, Р) К....................

0.8

0.6

0.2

О о

Яц-ео, Р)

К..............

0.8

0.61 0.41 0.21

оД

1 -0.05 ц-ео, эВ 1 -0.05 ц - 6о, эВ

Рисунок 9 - Зависимость плотности тока "смещения" от разности р - ео и нормированного напряжения |3 при концентрации с = 5-10~3: вклад однопримесных КРПТ (слева) и вклад двупримесных (справа). За единицу принята максимальная величина суммарного вклада однопримесных и двупримесных КРПТ. Горизонтальная плоскость соответствует значению тока "смещения", составляющему е от максимального вклада двупримесных КРПТ

Рисунок 10 - Зависимость плотности тока "смещения" от разности р. - е0 и приложенного к контакту нормированного напряжения р при с = 5-10" . Пунктирные линии - линии уровня для вклада однопримесных КРПТ, сплошные - для вклада двупримесных. За единицу принята максимальная величина суммарного вклада однопримесных и двупримесных КРПТ. Заштрихована область, в которой определяющим является вклад двупримесных КРПТ

0.002 0.00« 0006 ОН» 001 0.0(2 О.ОП ОСІБ 0.010 0.02

Рисунок 12 - Зависимость плотности тока "смещения" от концентрации примеси и нормированного напряжения (3 при |ц - £о| = 0. Пунктирные линии - линии уровня вклада однопримесных КРПТ, сплошные - линии уровня для вклада двупримесных. Заштрихована область преимущественного влияния двупримесных КРПТ. За единицу принята максимальная величина суммарного вклада однопримесных и двупримесных КРПТ

Рисунок 11 - Зависимость плотности тока "смещения" от концентрации примеси

и нормированного напряжения (3 при - е0| = 0: вклад однопримесных КРПТ (слева) и вклад двупримесных (справа). За единицу принята максимальная величина суммарного вклада однопримесных и двупримесных КРПТ. Горизонтальная плоскость соответствует значению тока "смещения", составляющему е-1 от максимального вклада двупримесных КРПТ

линия кроссовера

граница области, в которой существенно влияние двупримесных КРПТ

В Заключении приведены основные результаты работы.

1. Существуют области параметров контакта, в которых неверно предположение о том, что для нижнего критического поля длинного джозеф-соновского туннельного контакта со слабым структурным беспорядком в I-слое, силы пиннинга флуксона и тока "смещения", компенсирующего радиационные потери движущегося флуксона, представленных на основании теории КРПТ в виде рядов по степеням концентрации с, наиболее вероятные однопримесные КРПТ при с « 1 являются определяющими во всей области изменения существенных параметров контакта. В работе доказано, что в этих областях параметров контакта определяющее влияние на характеристики флуксона оказывают именно двупримесные КРПТ.

2. Для типичных параметров контакта найдены области, в которых двупримесные КРПТ являются определяющими для нижнего критического магнитного поля контакта, силы пиннинга флуксона и тока "смещения", компенсирующего радиационные потери движущегося флуксона.

3. Проведено аналитическое и численное исследование областей преобладающего влияния двупримесных КРПТ в пространстве существенных параметров контакта. Найдены линии кроссовера, разграничивающие в пространстве параметров области сильного влияния однопримесных и двупримесных КРПТ на характеристики флуксона.

4. Получены условия малости мезоскопических структурных флук-туаций нижнего критического поля контакта, обусловленных влиянием двупримесных КРПТ, на основании которых установлено, что мезоскопические флуктуации нижнего критического поля, обусловленные наличием двупримесных КРПТ, являются преобладающими в обширной области параметров и слабее подавляются при увеличении площади контакта по сравнению с флук-туациями, обусловленными однопримесными КРПТ.

5. Показано, что для типичных параметров контакта влияние те-примесных КРПТ (т > 2) на вышеупомянутые величины по сравнению с влиянием однопримесных и двупримесных является несущественным в области применимости теории КРПТ.

Цитируемая литература

1. БрандтН.Б., Кульбачинский В.А. Квазичастицы в физике конденсированного состояния. - М.: Физматлит, 2007. — 632 с.

2. Barone A., Paterno J. Physics and Applications of the Josephson Effect. -John Wiley & Sons, 1988. - 529 p. Рус. перевод: Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона: физика и применения. - М.:Мир, 1984. - 640 с.

3. Van Duzer Т., Turner C.W. Principles of Superconductive Devices and Circuits. - New York: Elsevier, 1981. Перевод: Ван Дузер Т., Тернер Ч. Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1984. - 344 с.

4. Лифшиц И.М., Кирпиченков В.Я. О туннельной прозрачности неупорядоченных систем // ЖЭТФ. - 1979. - Т. 77. - вып. 3(9). - С. 989-1016.

5. Кирпиченков В.Я. Влияние квантовых резонансно-перколяционных траекторий на параметры джозефсоновского вихря // ЖЭТФ. - 2007. -Т. 132. - вып. 1(7). - С. 294-296.

6. Кирпиченков В.Я. Влияние структурного беспорядка на вольт-амперную характеристику квазиодномерного туннельного перехода // ЖЭТФ. - 1998. - Т. 113. - С. 1522-1530.

7. Кирпиченков В.Я. Резонансная вольт-амперная характеристика трехмерного туннельного перехода со слабым структурным беспорядком // ЖЭТФ. - 1999. - Т. 116. - С. 1048-1057.

8. Кирпиченков В.Я. Влияние неупругого подбарьерного примесного рассеяния на нерезонансную туннельную прозрачность квазиодномерного туннельного перехода со слабым структурным беспорядком // ЖЭТФ. — 2000.-Т. 118.-С. 397-403.

9. Кирпиченков В.Я. Мезоскопические флуктуации джозефсоновского тока S-I-S контакта со слабым структурным беспорядком // ЖЭТФ. - 2000. -Т. 118.-С. 1230-1233.

10. Кирпиченков В.Я. Резонансно-перколяционные траектории (РПТ) как высокотемпературные сверхпроводящие каналы в тонких пленках метал-лооксидов // Письма в ЖЭТФ. - 1989. - Т. 49. - вып. 2. - С. 116-119.

11. Лифшиц И.М. О структуре энергетического спектра и квантовых состояниях неупорядоченных конденсированных систем // УФН. - 1964. -Т. 83.-вып. 4.-С. 617-663.

12. Абрикосов A.A. Резонансное туннелирование в высокотемпературных сверхпроводниках и структурах на их основе // УФН. - 1998. - Т. 168. -С. 683-695.

13. Асламазов Л.Г., Фистуль М.В. Резонансное туннелирование в контактах сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник// ЖЭТФ,- 1982. — Т. 83.-вып. 3(9).-С. 1170-1176.

14. Девятов И.А., Куприянов М.В. Вольт-амперные характеристики S-I-S структур с локализованными состояниями в материале прослойки // ЖЭТФ. - 1998. - Т. 114. - вып. 2(8). - С. 687-699.

15. Девятое И.А., Куприянов М.В. Влияние резонансного туннелирова-ния на ВАХ туннельных SIN-переходов // Письма в ЖЭТФ. - 1990. - Т. 52. -вып. 5.-С. 929-933.

16. Imry Y. Introduction to mesoscopic physics. - Oxford University Press, 1997. — 234 p. Рус. перевод: Имри И. Введение в мезоскопическую физику. -М.: Физматлит, 2004. - 304 с.

17. Ларкин А.И., Матвеев К.А. Вольт-амперная характеристика мезо-скопических полупроводниковых контактов// ЖЭТФ,- 1987,- Т. 93. -вып. 3(9).-С. 1030-1038.

18. LarkinA.I., MatveevK.A. Interaction-induced threshold singularities in tunneling via localized levels // Phys. Rev. B. - 1992. V. 46. - P. 15337-15347.

19. Тартаковский A.B., Фистуль М.В. Квазичастичный ток в контактах сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник // ЖЭТФ. - 1988. - Т. 94. -вып. 9. - С. 353-367.

20. Куприянов М.Ю., Лихарев К.К. Эффект Джозефсона в высокотемпературных сверхпроводниках и структурах на их основе // УФН. - 1990. -Т. 165.-вып. 5.-С. 49-87.

21. Абрикосов А.А. О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы // ЖЭТФ. -1957. - Т. 32(6). - С. 1442-1452.

22. Абрикосов А.А. Основы теории металлов. - 2-е изд. -М.: Физматлит, 2009. - 600 с.

23. МинеевМ.Б., Фейгельман М.В., Шмидт В.В. Движение джозефсо-новского вихря в поле случайного потенциала// ЖЭТФ, - 1981,- Т. 81.-вып. 1.-С. 290-298.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

А1. Кирпиченков В.Я. Критерий самоусреднения резонансного туннельного кондактанса N-I-N-контакта со слабым структурным беспорядком в /-слое / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Известия РАН. Серия физическая. - 2008,- Т. 72,- №10,- С. 1500-1501. Англ. перевод: Kirpichenkov V.Ya. Self-averaging Criterion of the Resonant Tunnel Conductance of an N-I-N Contact with Weak Structural Disorder in the I-Layer / V.Ya Kirpichenkov, N.V. Kirpichenkova, O.I Lozin // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2008. - V. 72. - № 10. - P. 1423-1425.

A2. Кирпиченков В.Я. Нижнее критическое поле длинного джозефсо-новского ^-/-^-туннельного контакта с квантовыми закоротками в /-слое / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Известия РАН. Серия физическая. - 2009. - Т. 73. - №7. - С. 1018-1020. Англ. перевод: Kirpichenkov V.Ya. Lower Critical Field of a Long Josephson S-I-S Tunnel Junction with Quantum Jum-

pers in I-Layer / V.Ya. Kirpichenkov, N.V. Kirpichenkova, and O.I. Lozin // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2009. - V. 73. - №7. - P. 962-964.

A3. Кирпиченков В.Я. Влияние туннельных резонансов на радиационные потери флуксона в длинном 5-/-5-туш1слыюм контакте со слабым структурным беспорядком в /-слое / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Известия РАН. Серия физическая. - 2009. - Т. 73. - № 8. - С. 11351137. Англ. перевод: Kirpichenkov V.Ya. Effect of Tunnel Resonances on Fluxon Radiation Loss in a Long S-I-S Tunnel Junction with Weak Structural Disorder in the /-Layer / V.Ya. Kirpichenkov, N.V. Kirpichenkova, and O.I. Lozin // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2009, - V. 73. - № 8. - P. 1073-1075.

A4. Кирпиченков В.Я. Мезоскопические флуктуации резонансного туннельного кондактанса неупорядоченного ¿"-/-^-контакта в магнитном поле / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Известия РАН. Серия физическая. - 2010. - Т. 74. - № 5. - С. 682-684. Англ. перевод: Kirpichenkov V.Ya. Mesoscopic Fluctuations of the Resonant Tunneling Conductance in a Disordered S-I-S Junction in Magnetic Field / V.Ya. Kirpichenkov, N.V. Kirpichenkova, and O.I. Lozin // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2010. - V. 74. - № 5. - P. 631-633.

A5. Кирпиченков В.Я. Особенности амплитуды упругого подбарьер-ного рассеяния на примеси / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И.// Известия РАН. Серия физическая. - 2010.- Т. 74. - №8,-С. 1095-1097. Англ. перевод: Kirpichenkov V.Ya. Peculiarities of the Amplitude of Elastic Subbarrier Impurity Scattering / V.Ya. Kirpichenkov, N.V. Kirpichenkova, and O.I. Lozin // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2010. - V. 74. - JSfe 8. - P. 1046-1048.

A6. Кирпиченков В.Я. Влияние квантовых резонансно-перколяционных траекторий в неупорядоченном I-слое на критический ток джозефсоновского S-I-S- контакта / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Известия РАН. Серия физическая, - 2011,- Т. 75.- №5.- С. 1-2. Англ. перевод: Kirpichenkov V.Ya. Influence of Quantum Resonance-Percolation Trajectories in a Disordered /-Layer on the Critical Current of a Josephson S-I-S Junction / V.Ya. Kirpichenkov, N.V. Kirpichenkova, and O.I. Lozin // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. - 2011. - V. 75. - № 5. - P. 725-727.

A7. Кирпиченков В.Я. Критерий самоусреднения резонансного туннельного кондактанса N-I-N контакта со слабым структурным беспорядком в /-слое / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Порядок, бес-

порядок и свойства оксидов. ODPO-2007 = Order, Disorder and Properties of Oxides: сб. тр. XМеждунар. симпозиума. Ростов-на-Дону - Лоо. - 2007. 1217 сент. - Ч. II-С. 48-51.

А8. Кнрпнченков В.Я. Влияние туннельных резонансов на радиационные потери флуксона в длинном S-I-S туннельном контакте со слабым структурным беспорядком в /-слое / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Порядок, беспорядок и свойства оксидов. ODPO-2008 = Order, Disorder and Properties of Oxides: сб. тр. XI Междунар. симпозиума. - Ростов-на-Дону - Лоо. - 2008. 16-21 сент. - Ч. I. - С. 202-205.

А9. Кирпиченков В.Я. Нижнее критическое поле длинного джозефсо-новского S-I-S туннельного контакта с квантовыми закоротками в /-слое / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Упорядочение в минералах и ставах'. ОМА-2008 = Ordering in Minerals and Alloys: тр. 11-го междунар. симпозиума. - Ростов-на-Дону - Лоо. - 2008. 10-15 сент. - Ч. I - С. 242-245.

А10. Кирпиченков В.Я. Мезоскопические флуктуации резонансного туннельного кондактанса неупорядоченного S-I-S контакта в магнитном поле / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И.// Упорядочение в минералах и сплавах: ОМА-2009 = Ordering in Minerals and Alloys: тр. 12-го междунар. симпозиума. - Ростов-на-Дону - Лоо. - 2009. 10-16 сент. - Ч. I. - С. 230-233.

Al 1. Кирпиченков В.Я. Особенности амплитуды упругости подбарьерно-го рассеяния на примеси / КирпиченковВ.Я., КирпиченковаН.В., Лознн О.И.// Порядок, беспорядок и свойства оксидов. 0DP012: тр. XIIМеждунар. симпозиума. — Ростов-на-Дону — Лоо. — 2009. 17-22 сент. Т. 1. - С. 249-252.

А12. Кирпиченков В.Я. Влияние квантовых резонансно-перколяционных траекторий в неупорядоченном I-слое на критический ток джозефсоновского S-I-S контакта/ Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И. // Физика низкоразмерных систем и поверхностей". LDS-2 - 2010 = Low dimensional Systems: тр. 2-го междунар. междисциплинар. сштозиу-ма. — Ростов-на-Дону — Лоо. — 2010. 3-8 сент.-С. 115-117.

А13. Кирпиченков В.Я. Функция распределения случайной силы пин-нинга флуксона на квантовых закоротках в неупорядоченном I-слое джозефсоновского S-I-S контакта / Кирпиченков В.Я., Кирпиченкова Н.В., Лозин О.И.// Упорядочение в минералах и сплавах: ОМА-2010 = Ordering in Minerals and Alloys: тр. 13-го междунар. симпозиума. - Ростов-на-Дону -Лоо, - 2010. 9-15 сент. - Ч. I. - С. 203-204.

Сдано в набор 17.04.2013. Подписано в печать 17.04.2013. Формат 60x84 1/16. Цифровая печать. Усл. печ. л. 0,9. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ 1704/02.

Отпечатано в ЗАО «Центр универсальной полиграфии» 340006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 140, телефон 8-918-570-30-30

www.copy61.ru e-mail: info@copy61.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Лозин, Олег Игоревич, Новочеркасск

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (Новочеркасский политехнический институт)"

На правах рукописи

04201356886

ЛОЗИН Олег Игоревич

ВЛИЯНИЕ ДВУПРИМЕСНЫХ КВАНТОВЫХ РЕЗОНАНСНО-ПЕРКОЛЯЦИОННЫХ ТРАЕКТОРИЙ НА ПАРАМЕТРЫ ФЛУКСОНА В НЕУПОРЯДОЧЕННОМ 5-7-5 КОНТАКТЕ

Специальность: 01.04.07 - физика конденсированного состояния

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Кирпиченков В.Я.

Новочеркасск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение....................................................................................4

1 Влияние резонансного туннелирования на свойства различных неупорядоченных систем (литературный обзор).....................................10

1.1 Простейшие одномерные системы.........................................10

1.2 Одномерные неупорядоченные системы.................................12

1.3 Неупорядоченные туннельные контакты.................................19

1.4 Основные сведения о квантовых резонансно-перколяционных траекториях (КРПТ)................................................................36

1.4.1 Энергетические уровни в бесконечных неупорядоченных системах..........................................................................37

1.4.2 Резонансные конфигурации примесей в одномерных неупорядоченных барьерах................................................41

1.4.3 КРПТ в трехмерных системах.......................................42

1.5 Выводы по разделу 1.........................................................48

2 Двупримесные КРПТ и нижнее критическое поле длинного джозеф-соновского ¿"-/-^-туннельного контакта с квантовыми закоротками в /-слое........................................................................................49

2.1 Проникновение флуксонов в туннельный контакт.....................53

2.2 Нижнее критическое поле джозефсоновского контакта без примесей в /-слое...................................................................58

2.3 Модель джозефсоновского $-1-$ туннельного контакта со структурным беспорядком в /-слое.............................................60

2.4 Средние значения нижнего критического поля и его мезоско-пических флуктуаций..............................................................65

2.5 Вклад двупримесных КРПТ в нижнее критическое поле контакта..............................................................................72

2.6 Вклад двупримесных КРПТ в мезоскопические флуктуации нижнего критического поля......................................................83

2.7 Выводы по разделу 2........................................................90

3 Двупримесные КРПТ и сила пиннинга флуксона на квантовых зако-ротках в неупорядоченном /-слое джозефсоновского контакта..................91

3.1 Сила пиннинга флуксона.....................................................91

3.2 Вклад двупримесных КРПТ в силу пиннинга...........................94

3.3 Выводы по разделу 3..........................................................98

4 Двупримесные КРПТ и радиационные потери флуксона в длинном ^-/-З'-туннельном контакте со слабым структурным беспорядком в /-слое........................................................................................99

4.1 Основные соотношения динамики флуксона в неупорядоченном контакте........................................................................99

4.2 Плотность тока "смещения".................................................107

4.3 Вклад двупримесных КРПТ.................................................110

4.4 Выводы по разделу 4.........................................................123

Заключение...............................................................................124

Список цитируемой литературы......................................................125

Список опубликованных работ........................................................130

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Физика джозефсоновских /(5- сверхпроводник, /- изолятор) контактов относится к активно исследуемым в настоящее время разделам теории конденсированного состояния вещества. Джо-зефсоновские контакты представляют значительный интерес как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения их применения в измерительной технике, высокочастотной электронике, радиотехнике и многих других областях. Одним из перспективных направлений применения джозефсоновских переходов является вычислительная техника, так, например, они могут служить узлами в элементах памяти и логических устройствах, а носителями информации в таких устройствах могут быть флуксоны [1-3]. Флуксон, или джозефсоновский вихрь представляет собой вихретоковый солитон, который возникает в Iконтакте в сверхкритическом магнитном поле и может, не изменяя формы, перемещаться вдоль "идеального" перехода, перенося квант магнитного потока. Возможность накапливать флуксоны и пересылать их вдоль перехода может быть использована при создании систем записи и передачи информации. При этом каждый флуксон может быть использован в качестве носителя одного бита информации. Такие системы обладали бы очень высоким быстродействием, поскольку характерное время, необходимое на образование флуксона и его транспорт вдоль перехода, мало и со-

—12

ставляет порядка 10 с [1].

Однако эффективное трение флуксона о неоднородности в туннельном контакте замедляет его движение и при отсутствии внешних сил, создаваемых напряжением, приложенным к пластинам перехода, флуксон в конце концов останавливается, "зацепляясь" за неоднородности (пиннинг). Следовательно, при описании реальных 1-Б контактов необходимо учитывать, в частности, и неоднородности туннельной проводимости /-слоя в плоскости контакта, обусловленные случайно расположенными в нем примесями, поэтому теория неупорядоченных систем, являющаяся актуальной и активно развивающейся областью физики конденсированного состояния, находит применение при описании свойств таких контактов.

В случае слабого структурного беспорядка (т.е. малых концентраций примеси в I-слое) в области энергий вблизи однопримесного локального электронного уровня е0 определенные пространственные конфигурации примесных центров приводят к возникновению в неупорядоченном I-слое случайных квантовых резонансно-перколяционных траекторий (КРПТ) [4] - путей, вдоль которых коэффициент прохождения для туннелирующих электронов порядка единицы. При этом [5] в ближайшей к е0 области энергий наибольшее влияние на статику и динамику флуксона будут оказывать однопри-месные КРПТ. Вместе с тем остается вопрос: оказывают ли существенное влияние т-примесные (га = 2, 3,...) КРПТ на параметры флуксона за пределами этой узкой области энергий? Поэтому тема диссертации, посвященная нахождению в пространстве существенных параметров контакта областей, в которых параметры флуксона определяются двупримесными КРПТ (га = 2), а также исследованию вопроса о влиянии на параметры флуксона КРПТ с га > 2, является актуальной.

структурным беспорядком в /-слое при температуре Т= 0.

Для достижения поставленной цели с помощью методов, разработанных

в [4-10], решались следующие задачи:

- определить степень влияния га-примесных КРПТ (га > 2) на параметры флуксона в неупорядоченном контакте.

Методы исследований. Поставленные задачи решались на основе развитой в [4] теории КРПТ. Для описания неупорядоченного I-слоя применялась модель структурного беспорядка И.М. Лифшица [11]. Использовались методы современной теоретической физики конденсированного состояния, в частности, методы квантовой теории неупорядоченных систем, методы математической физики и компьютерного моделирования.

Объектом исследования являются джозефсоновские контакты со слабым структурным беспорядком в /-слое. Типичные параметры таких контактов [1-2] использовались при компьютерном анализе математических моделей.

Научная новизна работы

На основе "вириальных" разложений по КРПТ для параметров флук-сона в неупорядоченном 8-1-8 контакте при температуре Т-0 [5] впервые проведено детальное сравнительное численно-аналитическое исследование вкладов однопримесных и двупримесных КРПТ в величину нижнего критического поля неупорядоченного контакта, силу пиннинга флуксона и плотность тока радиационных потерь движущегося флуксона.

На плоскости параметров (ц - е0, с), где ц - уровень Ферми контакта, е0- энергия однопримесного локального электронного уровня, с - концентрация примеси в /-слое, впервые найдена область преобладающего влияния двупримесных КРПТ на величину нижнего критического поля неупорядоченного 8-1-8 контакта, построена линия кроссовера, разграничивающая области преимущественного влияния однопримесных и двупримесных КРПТ на нижнее критическое поле, показано, что область преимущественного влияния двупримесных КРПТ значительно шире, чем однопримесных. Установлено, что для типичных параметров контакта влияние т-примесных КРПТ (т > 2) на нижнее критическое поле несущественно, так как соответствующий вклад оказывается значительно меньшим, чем нижнее критическое поле "пустого" (без примесей в /-слое) 8-1-8 контакта.

Впервые показано, что вклад в мезоскопические флуктуации нижнего критического поля неупорядоченного S-I-S контакта, обусловленный дву-примесными КРПТ, значительно больше, чем соответствующий вклад одно-примесных, в обширной области параметров на плоскости (ц, - е0, с) и слабее подавляется, чем вклад однопримесных КРПТ, при увеличении площади контакта.

На плоскости (|i-e0, с) впервые найдена область преобладающего влияния двупримесных КРПТ на силу пиннинга флуксона в неупорядоченном S-I-S контакте, показано, что эта область параметров значительно шире, чем область преобладающего влияния на силу пиннинга однопримесных КРПТ, построена линия кроссовера, разделяющая эти области. Установлено, что для типичных параметров контакта вклад в силу пиннинга, обусловленный га-примесными (т > 2) КРПТ, существенно меньше, чем суммарный вклад одно- и двупримесных КРПТ.

В пространстве параметров (ц - е0, с, Р), где (3 - нормированное напряжение на контакте, на "сечениях" (ц- so, с, |3 = const), (ц,- s0, с = const, (3), (ц - 80 = const, с, (3) впервые найдены области преобладающего влияния двупримесных КРПТ на величину плотности тока "смещения", компенсирующего радиационные потери, обусловленные рассеянием движущегося флуксона на неупорядоченной системе примесей в /-слое, показано, что эти области значительно шире, чем соответствующие области для однопримесных КРПТ, построены линии кроссовера, разделяющие эти области. Установлено, что для типичных параметров контакта вклад в плотность тока "смещения", обусловленный рассеянием флуксона на га-примесных КРПТ (га > 2) существенно меньше, чем суммарный вклад одно- и двупримесных КРПТ.

с "пустым", т.е. не содержащим примесей в /-слое, контактом. Научная значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты углубляют представления о физических процессах в неупорядоченных 8-1-8 контактах, находящихся во внешнем магнитном поле.

Практическая значимость работы обусловлена возможностью применения ее результатов при проектировании устройств микро- и наноэлектро-ники, элементами которых служат джозефсоновские контакты. В частности, результаты работы могут быть полезны при создании элементной базы компьютеров новых поколений.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Существуют области существенных параметров джозефсоновского 8-/-8 туннельного контакта со слабым структурным беспорядком в /-слое, в которых при температуре Т= О определяющее влияние на электродинамику контакта оказывают двупримесные КРПТ.

2. Области преобладающего влияния двупримесных туннельных ре-зонансов на нижнее критическое магнитное поле контакта, силу пиннинга флуксона и ток "смещения", компенсирующий радиационные потери движущегося флуксона, описываются в рамках теории КРПТ.

3. В пространстве существенных параметров 8-1-8 контакта области сильного влияния однопримесных и двупримесных КРПТ разграничиваются линией кроссовера.

4. Мезоскопические флуктуации нижнего критического поля, обусловленные наличием двупримесных КРПТ, являются преобладающими в обширной области параметров и слабее подавляются при увеличении площади контакта по сравнению с флуктуациями, обусловленными однопримес-ными КРПТ.

5. Влияние КРПТ с т > 2 на электродинамику контакта является несущественным для типичных параметров контакта.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе,

в основном определяется тем, что они получены в рамках теории, развитой в

давно ставших классическими работах И.М. Лифшица и

В.Я. Кирпиченкова [4, 11], в последней из которых построена теория КРПТ в неупорядоченных I-слоях. Результаты компьютерного моделирования, проделанного автором, и выводы, сделанные в диссертации, согласуются с научными представлениями, сложившимися в данной области исследований.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Международных симпозиумах "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" ОБРО-2007 (п. Лоо), ОБРО-2008 (п. Лоо), 0БР012 (п. Лоо, 2009); Международных симпозиумах "Упорядочение в минералах и сплавах" ОМА-2008 (п. Лоо), ОМА-2009 (п. Лоо), ОМА-2010 (п. Лоо); Международном междисциплинарном симпозиуме "Физика низкоразмерных систем и поверхностей" 1Л)8-2 (п. Лоо, 2010).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ, написанных в соавторстве. Список приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора. Автором исследовано влияние двупримесных КРПТ на нижнее критическое поле неупорядоченного 8-1-8 контакта и его мезоскопические флуктуации, силу пиннинга флуксона и ток "смещения", компенсирующий радиационные потери флуксона при его рассеянии на КРПТ, а также найдены области в пространстве существенных параметров контакта, в которых главный вклад в эти физические величины дают дву-примесные КРПТ. Выбор темы исследования, постановка задач и обсуждение полученных результатов проводились совместно с научным руководителем, профессором В.Я. Кирпиченковым.

1 ВЛИЯНИЕ РЕЗОНАНСНОГО ТУННЕЛИРОВАНИЯ НА СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ СИСТЕМ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1 Простейшие одномерные системы

Резонансным туннелированнем называется прохождение частиц через систему потенциальных барьеров с вероятностью, близкой к единице, осуществляющееся при определенных параметрах системы барьеров. Например, хотя высокий и широкий барьер обладает малой прозрачностью, несколько таких последовательно расположенных барьеров могут быть совершенно прозрачны для частиц с некоторой энергией. Явление резонансного туннели-рования через систему потенциальных барьеров впервые было описано Д. Бомом [12].

В 1963 г. Л.В. Иогансен рассмотрел резонансное прохождение в произвольной системе двух потенциальных барьеров, используя приближение ВКБ [13]. В работе показано, что резонансная прозрачность зависит от формы и размеров барьеров и становится порядка единицы в случае, когда барьеры одинаковы. При нарушении равенства барьеров прозрачность убывает экспоненциально, т.е. является весьма чувствительной к изменению их формы. Поэтому можно регулировать прозрачность системы, а именно, изменяя форму барьеров, непрерывным переходом вводить систему в режим резонансного прохождения и выводить из него.

Различные системы, состоящие из двух и трех прямоугольных потенциальных барьеров, рассмотрены в книге А. Леви [14]. Автор дает много примеров влияния взаимного расположения барьеров и их ширины на туннельную прозрачность системы, а также показывает применение такой модели к описанию реализованных на гетероструктурах диодов и транзисторов.

Резонансное туннелиро-вание впервые наблюдалось в 1974 г. JI. Эсаки, Л. Чангом и Р. Цу в двухбарьерной структуре (прослойка из GaAs между двумя барьерами из GaAlAs) [15, 16]. При температурах менее 100 К вольтамперная характеристика и зависимость проводимости (кондактанса) от приложенного напряжения имеют особенности, соответствующие каждому резонансному уровню энергии, на вольтамперной характер