Влияние неоднородного магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства джозефсоновских переходов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ НА СВОЙСТВА ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 2005

Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук

A. А. Фраерман

доктор физико-математических наук

B. В. Рязанов ИФТТ РАН

кандидат физико-математических наук И. Д. Токман ИФМ РАН

Институт радиотехники и электроники РАН, Москва

Защита состоится 23 июня 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 002.098.01 в Институте физики микроструктур РАН (603950, Нижний Новгород, ГСП-105).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан ая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор У —" К. П. Гайкович

Актуальность темы

Развитие методов литографии сделало возможным изготовление периодических решеток одинаковых наномагнитов [1]. Решетка ферромагнитных наночастиц является уникальным источником неоднородного магнитного поля с амплитудой порядка магнитного момента насыщения ферромагнетика и масштабом неоднородности, определяемым периодом решетки. Магнитным полем массива частиц можно управлять путем перемагничивания всей решетки или отдельных ее частей внешним магнитным полем. Это свойство решеток ферромагнитных наночастиц открывает новые возможности для управления транспортными свойствами сверхпроводников, высокочувствительных к магнитному полю [А1].

Исследование физических явлений в гибридных системах ферромагнетик - сверхпроводник является одним из активно развивающихся направлений физики твердого тела. При изучении гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник основное внимание было сфокусировано на исследовании процессов возникновения и пиннинга абрикосовских вихрей в сверхпроводящих пленках под действием магнитного поля ферромагнитных частиц [А2-А4]. Соизмеримость характерных масштабов в сверхпроводнике с периодом решетки и размерами магнитных частиц делает возможным создание сверхпроводящих систем с контролируемым пиннингом абрикосовских вихрей. В гибридных структурах магнитные частицы - сверхпроводник наблюдались эффекты соизмеримости решеток вихрей и наномагнитов, заключавшихся в осцилляторной зависимости сопротивления (или критического тока) сверхпроводника от внешнего магнитного поля [А4-А6]. Однако, как показывают эксперименты и теоретические расчеты, наблюдение таких эффектов возможно лишь при температурах близких к критической температуре сверхпроводника, когда собственный пиннинг абрикосовских вихрей в сверхпроводящей пленке мал.

В этой связи, актуальной задачей становится исследование вопроса о влиянии неоднородного магнитного поля системы ферромагнитных наночастиц на "слабые" сверхпроводники - джозефсоновские контакты. В силу малого "собственного" пиннинга джозефсоновских вихрей эта система является более чувствительной к магнитному полю по сравнению с "сильными" сверхпроводниками. Исследование свойств джозефсоновских контактов в неоднородном магнитном поле систе-

»ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ ЗДМмеТЕКА

сп

99 Щ)

мы ферромагнитных частиц представляет интерес в связи с возможным эффективным управлением транспортными свойствами джозеф-соновских переходов. Также вызывает интерес постановка обратной задачи - определение неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц с помощью джозефсоновского перехода.

Еще одной, ранее не рассматривавшейся задачей, является исследование влияния неоднородного магнитного поля системы ферромагнитных наночастиц на узкий сверхпроводящий мост, размеры которого сравнимы с размером магнитных частиц. В таких гибридных системах возможен эффект выпрямления тока (диодный эффект) благодаря суперпозиции магнитных полей, индуцированных частицами и транспортным током моста.

Цель работы

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование влияния магнитного поля, индуцированного ферромагнитными наночастицами, на свойства джозефсоновских переходов различной геометрии и узких сверхпроводящих мостов. Для достижения этой цели в диссертации решались следующие задачи:

- Оптимизация параметров системы ферромагнитных частиц как источника неоднородного магнитного поля.

- Изготовление гибридных структур ферромагнитные частицы-сверхпроводник.

- Экспериментальное исследование влияния неоднородного магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства торцевых джозефсоновских переходов.

- Экспериментальное исследование влияния магнитного поля системы ферромагнитных наночастиц на свойства пленарных джозефсоновских переходов.

- Экспериментальное исследование влияния магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства узких сверхпроводящих мостиков.

Научная новизна

1. Впервые изготовлены джозефсоновские переходы "идеальной" торцевой геометрии малой емкости.

. *!>.». 4«. Г Я . > < -.4 .

I ч« „ ™

-*<» >>4 * }

' ГЦ »■■ *■

........

2. Экспериментально обнаружено существование критической толщины для эллиптических субмикронных частиц Со, ограничивающей область существования метастабильных состояний с квазиоднородным распределением намагниченности.

3. Изготовлены и исследованы гибридные структуры нового типа, состоящие из ферромагнитных наночастиц и джозефсоновских переходов различной геометрии. В торцевых контактах наблюдался эффект соизмеримости между периодическим магнитным полем частиц и распределением плотности джозефсоновского тока. В пленарных контактах наблюдалось гигантское (в 5-6 раз) изменение максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц.

4. Обнаружено, что критический ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля. Обнаружено существование диодного эффекта в этих гибридных системах - величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля.

Научная и практическая значимость

- Разработанные методики изготовления торцевых джозефсоновских переходов и гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник могут быть использованы во многих областях крио- и наноэлектроники. Изготовленные торцевые джозефсо-новские переходы с критическим током 10-1000 мкА, нормальным сопротивлением 1-10 Ом и малой емкостью (менее Ю-11 — Ю-12 Ф) могут быть использованы для исследований субмикронных магнитных структур, в СВЧ технике (смесители, умножители и др.), при построении программируемого эталона напряжения и при формировании элементов сверхпроводящей логики. Разработанная методика изготовления магнитных частиц на сверхпроводнике может быть использована при создании различных гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник.

- Результаты исследования распределения намагниченности и магнитного поля, индуцированного субмикронными частицами Со, представляют интерес для исследования диаграммы магнитных состояний реальных ферромагнитных наноструктур и в связи с их возможным применением в микроэлектронике.

- Проведенные исследования влияния магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства джозефсоновских переходов могут быть использованы как для анализа неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц, так и для управления транспортными свойствами джозефсоновских контактов.

- Проведенные экспериментальные исследования влияния магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства пленарных джозефсоновских переходов и узких сверхпроводящих мостов представляют интерес в связи с их возможным применением в микроэлектронике. Изготовленные лабораторные образцы могут служить прототипом новых элементов криоэлектроники.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработана методика изготовления джозефсоновских переходов "идеальной" торцевой геометрии малой емкости. Изготовлены джозефсоновские переходы Nb\SiNx\Nb "идеальной" торцевой геометрии с критическим током 10 — 1000 мкА, нормальным сопротивлением 1 — 10 Ом и малой емкостью (менее Ю-11 - 10~12 Ф).

2. Разработана методика изготовления гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник. Изготовлены гибридные структуры: магнитные частицы на торцевых, пленарных джозефсоновских переходах и сверхпроводящих мостах.

3. Экспериментально обнаружено существование критической толщины эллиптических субмикронных частиц Со с аспектным отношением длина/ширина 1.3—3, ограничивающей область существования метастабильных состояний с квазиоднородным распределением намагниченности.

4. В торцевых джозефсоновских контактах обнаружен эффект соизмеримости между периодами магнитного поля частиц и плотности джозефсоновского тока, проявляющийся в возрастании вторичных максимумов на зависимости критического тока от магнитного поля. В планарных джозефсоновских контактах обнаружено гигантское (в 5-6 раз) изменение максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц.

5. Обнаружено сильное влияние ферромагнитных частиц на зависимость 1С(Н) критического тока узкого сверхпроводящего мостика от внешнего однородного магнитного поля - критический

ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля (до ~20%). В этих гибридных системах наблюдался диодный эффект - величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля (величина диодного эффекта достигает ~200%).

Личный вклад автора в получение результатов

В работах по исследованию гибридных структур ферромагнитные частицы - джозефсоновский переход и ферромагнитные частицы на узком сверхпроводящем мосту вклад автора диссертации является определяющим. Автору диссертации принадлежит: изготовление гибридных структур (совместно с С.А.Гусевым, А.Ю.Климовым и В.В.Роговым)[1-6,8-20]; разработка измерительного стенда и проведение экспериментов (совместно с Ю.Н.Ноздриным) [1-4, 8-10,14-16, 20]; проведение численных расчетов критического тока джозефсонов-ского перехода с магнитными частицами [8-10, 14-16]. Автор принимал участие в магнитосиловых измерениях изготовленных магнитных структур (совместно с Б.А.Грибковым и др.) [4-6, 11-13, 17-19]. Численные расчеты магнитного поля однородно намагниченных частиц проведены при участии автора в лаборатории математического моделирования ИФМ РАН под руководством И.А.Шерешевского [2, 7, 15].

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно обсуждались на семинарах ИФМ РАН, а также были представлены на Международном симпозиуме по магнетизму (М18М-2002 - Москва); Всероссийском совещании по физике низких температур (ФНТ-33, 2003 г. - Екатеринбург); международном евро-азиатском симпозиуме "Прогресс в магнетизме" (ЕА8ТМАС-2004 - Красноярск); международном совещании по сканирующей зондовой микроскопии (ЭРМ-2004 - Н.Новгород); Белорусском семинаре по сканирующей зондовой микроскопии (БелСЗМ-6, 2004 г. - Минск); симпозиуме Нанофизика и Наноэлектроника (Н.Новгород, 2005 г.).

Публикации

По результатам выполненных исследований опубликовано 20 научных работ (6 статей в реферируемых журналах и 14 докладов на российских и международных конференциях).

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 132 наименований. Общий объем — 155 страниц, в диссертации приведено 62 рисунка.

Основное содержание работы

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели диссертационной работы, указаны сведения о апробации работы и публикациях, приведены основные результаты работы.

В Первой главе приведены результаты исследований свойств системы ферромагнитных частиц как источника неоднородного магнитного поля, а также методы и результаты оптимизации параметров таких систем.

Раздел 1.1 посвящен возможному использованию наномагнитов в различных приложениях. Обсуждаются основные общие требования на размер ферромагнитной частицы, предназначенной для эффективного влияния на сверхпроводник. Необходимо, чтобы магнитная частица создавала магнитный поток порядка кванта потока, магнитное поле порядка 100 Э и имела субмикронные латеральные размеры, превосходящие масштабы абрикосовского вихря в сверхпроводнике. Таким образом, для создания ферромагнитной частицей существенного магнитного поля требуется, чтобы однодоменное распределение намагниченности в частице являлось устойчивым при максимально возможной толщине частицы.

В разделе 1.2 приведен обзор результатов, посвященных исследованию перехода между вихревым и квазиоднородным распределениями намагниченности в ферромагнитных частицах. Также обсуждаются имеющиеся данные о метастабильных состояниях намагниченности в ферромагнитных частицах, имеющих форму цилиндра в основании

которого лежит круг (частицы в виде дисков) или эллипс (эллиптические частицы). В частности, известно, что в эллиптических частицах вихревое и квазиоднородное состояния могут быть устойчивыми. Однако вопрос о размерах эллиптических частиц, которые индуцируют максимально возможное магнитное поле и в которых существуют ме-тастабильные состояния оказался практически не изученным.

В разделе 1.3 описана методика изготовления ферромагнитных частиц, в том числе и на сверхпроводнике. Системы ферромагнитных частиц изготавливались методом электронно-лучевой литографии из ферромагнитного пленок Со с использованием пленки фуллеренов Се о в качестве негативного электронного резиста. Аспектное соотношение эллиптических частиц длина/ширина изменялось в пределах 1.3-3. Особенностями разработанной методики изготовления частиц на сверхпроводнике, в том числе и на джозефсоновских переходах, являются: остановка ионного травления, используемого на последней стадии изготовлении частиц, без повреждения сверхпроводящего слоя и точность позиционирования частиц лучше чем 100 нм.

В разделе 1.4 приведены результаты исследований остаточных состояний распределения намагниченности в эллиптических субмикронных частиц Со методами магнитосиловой микроскопии. Полученные результаты проведенных исследований можно разбить на две группы.

I. Ширина частиц Со более 300 нм, аспектное отношение 1.3 — 3. Если толщина частиц варьировалась в диапазоне 5-27 нм, то в частицах вихревое и квазиоднородное состояния устойчивы; если толщина частиц более 27-30 нм, то в частицах существует лишь вихревое распределение намагниченности.

II. Ширина частиц Со менее 300 нм, аспектное отношение 2 — 3. При толщине частиц до 55 нм только однодоменное состояние является устойчивым.

В разделе 1.5 представлены результаты расчетов магнитного поля, индуцированного однородно намагниченной частицей, на масштабах, сравнимых с ее толщиной, много меньшей латеральных размеров и для параметров, отвечающих условиям реального эксперимента. Проведен расчет магнитного поля, индуцированного однородно намагниченной частицей. Проведены расчеты среднего магнитного поля, индуцируемого магнитной частицей, когда частица расположена на торг цевом или планарном переходе.

1 Вторая глава посвящена исследованию влияния неоднородного

магнитного поля ферромагнитных частиц на критический ток торце» вых джозефсоновских контактов.

1«/1«(0)

Рис. 1. (а) Схема торцевого перехода с частицами. (Ь) Численный расчет зависимости 1С(Н) контакта с восемью магнитными частицами, намагниченными вдоль перехода.

В разделе 2.1 обсуждаются физические механизмы взаимодействия сверхпроводящей и магнитной подсистем гибридных структур. Предложен новый тип гибридных структур - ферромагнитные частицы и джозефсоновский переход (торцевой или пленарной геометрии). В случае торцевого перехода, магнитное поле частиц проникает в переход и непосредственно модулирует разность фаз параметра порядка между берегами перехода, определяющую свойства джозефсоновско-го контакта. В случае планарной геометрии перехода, наличие магнитных частиц может привести к образованию абрикосовских вихрей в электроде контакта и их пиннингу на частицах.

В разделе 2.2 приведен обзор экспериментальных и теоретических результатов, посвященных исследованию гибридных структур, состоящих из ферромагнитных частиц и сверхпроводящей пленки. Дан обзор экспериментальных и теоретических результатов исследования влияния абрикосовских вихрей на свойства пленарных джозефсонов-ских контактов.

В разделе 2.3 проведен расчет зависимости критического тока от внешнего однородного магнитного поля 1С(Н) для коротких торцевых переходов с цепочкой магнитных частиц, см. рис.1а. Зевисимость /с(#), полученнея в предположении синусоидальной токо-фазовой за-

висимости, определяется выражением

1с = ]сЬ

10 еХр £ХР Лх

(1)

где Ф = Ьс1е//Н - магнитный поток в переходе, индуцированный внешним однородным полем Н, <рр - джозефсоновская разности фаз, индуцированная полем частиц. Подынтегральное выражение в (1) является произведением двух периодических функций. Первая функция, характеризует распределение джозефсоновского сверхтока в переходе в отсутствии частиц, ее интегрирование дает обычную "фра-унгоферову" зависимость /С(Н); период этой функции определяется внешним однородным полем. Вторая функция характеризует "фазовую модуляцию", индуцированную магнитными частицами, и ее период равен периоду решетки магнитных частиц Л. Из (1) следует, что интеграл принимает максимальное значение, когда периоды этих подынтегральных функций совпадают, т.е. выполняется условие соизмеримости

Я„ = (2)

где п - номер максимума, Д# - период осцилляций критического тока джозефсоновского контакта без частиц, \¥ - ширина перехода, (I - расстояние между частицами.

Результаты численного расчета /с(#) торцевых переходов с цепочкой частиц, однородно намагниченных вдоль контакта, представлены на рис.1Ь. Эффект соизмеримости периодического магнитного поля частиц и плотности джозефсоновского тока проявляется в возрастании вторичных максимумов на зависимости 1С(Н), для которых выполняется условие соизмеримости (2).

В разделе 2.4 изложена методика изготовления и представлены результаты исследования свойств джозефсоновских контактов "идеальной" торцевой геометрии. Отличительной особенностью изготовленных переходов является то, что они по существу представляют собой разрез в сверхпроводящей пленке, как показано на рис.2а. Подобная "идеальная" торцевая геометрия контактов позволяет использовать их для исследований субмикронных магнитных структур, поскольку источники магнитного поля можно расположить в непосредственной близости от контакта. Основными особенностями ВАХ изготовленных переходов при Т = 4.2 К (критическая температура переходов ~ 8 К) являются: безгистерезисное поведение, значительный избыточный ток, наличие постоянного и переменного эффектов Джозефсона. Безгистерезисный характер ВАХ, позволяет оценить емкость перехода величиной, много меньшей Ю-11 — Ю-12 Ф. Зависимость 1С(Н) близка к обычной "фраунгоферовой" картине, см. рис.2Ь. При монотонном уменьшении прослойки диэлектрика между берегами контакта от 5 нм до 1 нм критический ток переходов уве-

NW,

Nb" SiN.

(a)

Г

sin;

Nb>

(b)

100 •00 400 900

(йА1 А/ и

Л\А

H,Oe

Рис. 2. (а) Схема изготовленного торцевого перехода поперечный разрез. (Ь) Зависимость 1С{Н) одного из переходов шириной 8 мкм при Т = 4.2 К.

личивался при Т = 4.2 К от 10 до 1000 мкА (102 - 10б А/см2) и сопротивление уменьшалось от 5 до 1 Ом соответственно.

В разделе 2.5 представлены результаты экспериментальных исследований влияния магнитных полей ферромагнитных наночастиц на свойства торцевых джозефсоновских переходов. Для экспериментального исследования фазовой модуляции были изготовлены торцевые контакты Nb\SiNx\Nb с цепочкой ферромагнитных частиц Со, расположенной в непосредственной близости от области перехода. На рис.За представлено SEM изображение одной из изготовленных гибридных структур. На рис.ЗЬ представлены результаты измерений 1С(Н) при температуре Т = 4.2 К во внешнем однородном магнитном поле перпендикулярном поверхности образца в случае цепочки однородно намагниченных частиц (магнитосиловое изображение образца на вставке к рис.ЗЬ). Магнитное состояние частиц контролировалось с помощь зондового микроскопа до и после низкотемпературных измерений. На зависимости 1С{Н) наблюдаются дополнительные максимумы, положение которых удовлетворяет условию соизмеримости (2). Если частицы в цепочке находятся в вихревом состоянии, то дополнительные максимумы отсутствуют. "j

В Третьей главе приведены результаты исследования свойств пленарных джозефсоновских контактов и узких сверхпроводящих мостов в неоднородном магнитном поле системы ферромагнитных ча- '

Рис. 3. (а) SEM изображение торцевого перехода Nb\SiNx\Nb с цепочкой частиц; размеры перехода 8 X 0.1 мкм, размеры частиц Со 300 х 600 х 25 нм. (Ь) Зависимость 1С{Н) в случае цепочки однородно намагниченных частиц.

стиц.

В разделе 3.1 представлены результаты экспериментальных исследований свойств пленарных джозефсоновских переходов с ферромагнитными наночастицами. Для исследований была изготовлена серия пленарных ("overlap") переходов Nb\Al\AlOx\Nb с решеткой частиц Со на верхнем электроде контакта, см. рис.4а. Измерения критического тока проводились при температуре Т = 4.2 К, магнитное поле прикладывалось в плоскости контакта, вдоль сверхпроводящего тока в электродах. На рис.4Ь приведены результаты измерения полевой зависимости критического тока 1С(Н) для различных состояний намагниченности решетки частиц. В случае, когда частицы находятся в вихревом состоянии, зависимость Ic (Н) имеет тот же вид, что и для перехода без частиц. Качественно иная ситуация наблюдается в случае, когда большинство частиц решетки однородно намагничены. Во первых, максимальный критический ток в этом случае упал в 5-6 раз. Отметим, что после размагничивания частиц критический ток восстанавливается. Во-вторых, наблюдается существенно немонотонное поведение критического тока при больших значениях поля.

Рис. 4. (а) SEM изображение планарного джозефсоновского перехода с решеткой частиц; размеры перехода 20 х 15 мкм, размеры частиц Со 300 х 600 х 27 нм, размер ячейки частиц 1 х 1.5 мкм. (Ь) Зависимость 1С(Н) планарного контакта в различных случаях: частицы в вихревом состоянии (зависимости 1С(Н) перехода без частиц и перехода с частицами в вихревом состоянии совпадают); контакт с намагниченными частицами.

Раздел 3.2 посвящен исследованию свойств узких сверхпроводящих мостов в неоднородном магнитном поле системы ферромагнитных частиц. Предложен еще один новый тип гибридных структур - ферромагнитные частицы и узкий сверхпроводящий мост, размеры которого сравнимы с размером магнитных частиц. Одна из гибридных структур, изготовленных для экспериментальных исследований, представляла собой длинную магнитную полоску Со шириной 0.4 мкм, расположенную над центром узкого ниобиевого сверхпроводящего моста шириной 2 мкм. Изначально магнитная полоска находилась в размагниченном состоянии. Эффект влияния неоднородного магнитного поля полоски проявлялся при ее намагничивании внешним однородным магнитным полем, прикладываемым в плоскости образца и перпендикулярно мосту, см. рис.5а. На рис.5Ь представлена ВАХ гибридной структуры в однородном магнитном поле. Зависимости критических токов, протекающих в различных направлениях, от магнитного поля представлены на рис. 5с. С ростом магнитного поля критический ток стал убывать (магнитное поле тока складывается с полем полоски), а - расти (магнитное поле тока

Рис. 5. (а) Схема эксперимента. (Ь) ВАХ моста с магнитной полоской в поле 500 Э. (с) Зависимости моста с магнитной полоской.

компенсируется неоднородным полем полоски). Однородное магнитное поле (величиной до 3 кЭ), приложенное в плоскости моста, не влияет на критический ток мостов без магнитных структур. Следует отметить, что измерения проводились при температуре Т = 4.2 К, существенно меньшей критической. Плотность тока в сверхпроводящих мостах составляла ~ 108 А/см2, что на несколько порядков превосходит типичные плотности тока, при которых возможно наблюдение пиннинга абрикосовских вихрей на магнитных частицах.

В Заключении сформулированы результаты работы.

Основные результаты работы

1. Изготовлены гибридные структуры магнитные частицы - торцевой джозефсоновский переход Nb\SiNx\Nb•, а также структуры состоящие из магнитных частиц и пленарных переходов, магнитных частиц и сверхпроводящих мостов.

2. Экспериментально обнаружено существование критической толщины эллиптических субмикронных частиц Со с аспектным отношением длина/ширина 1.3—3, ограничивающей область существования метастабильных состояний с квазиоднородным распределением намагниченности.

3. В торцевых джозефсоновских контактах обнаружен эффект соизмеримости между периодами магнитного поля частиц и распределения плотности джозефсоновского тока, проявляющийся в возрастании вторичных максимумов на зависимости критического тока от магнитного поля. В пленарных джозефсоновских контактах обнаружено гигантское (более чем в шесть раз) изменение максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц.

4. Обнаружено сильное влияние ферромагнитных частиц на зависимость критического тока узкого сверхпроводящего моста от внешнего однородного магнитного поля: критический ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля (до 20 %). В этих гибридных системах наблюдался диодный эффект: величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля (величина диодного эффекта достигала 200%).

Список цитированной литературы

[Al] J. I. Martin Ordered magnetic nanostructures: fabrication and properties/ J. I. Martin, J. Nogues, K. Liu et al.// J. Magn. Magn. Mater. - 2003. - V. 256 - P. 449-501.

[A2] Т. H. Alden Ferromagnetic Particles in a Type-II Superconductor/ Т. H. Alden and J. D. Livingston // J. Appl. Phys. - 1966. - V. 37 -P. 3551-3556.

[A3J I. D. Tokman Pinning of a vortex lattice on magnetic inhomogeneities in a thin superconducting film (type-II superconductor)/ I. D. Tokman // Phys. Lett. A. - 1992. - V. 166 - P. 412-415.

[A4] O. Geoffroy Magnetic and transport properties of ferromagnetic particulate arrays fabricated on superconducting thin films/ O. Geoffroy, D. Givord, Y. Otani et al.// J. Magn. Magn. Mater. - 1993. - V. 121 -P. 223-226.

[A5j D. J. Morgan Asymmetric Flux Pinning in a Regular Array of Magnetic Dipoles/ D. J. Morgan and J. B. Ketterson// Phys. Rev. Lett. -1998. - V. 80. - P. 3614 - 3617.

[A6] J. I. Martin Temperature dependence and mechanisms of vortex pinning by periodic arrays of Ni dots in Nb films/ J. I. Martin, M. Velez, A. Hoffinann et al.// Phys. Rev. В - 2000. - V. 62 - P. 9110-9116.

Список публикаций автора по теме диссертации

(1) A. Y. Aladyshkin, A. A. Fraerman, S. A. Gusev, A. Y. Klimov, Y. N. Nozdrin, G. L. Pakhomov, V. V. Rogov, S. N. Vdovichev, Infuence of ferromagnetic nanoparticles on the critical current of Josephson junction // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2003. - V. 258-259.

- P. 406-408.

(2) С. H. Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев, E. Ильичев, А. Ю. Климов, Ю. Н. Ноздрин, Г. JI. Пахомов, В. В. Рогов, Р. Штольтц, А. А. Фраерман, Свойства джозефсоновских контактов в неоднородном магнитном поле системы ферромагнитных частиц // Письма в Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики. -2004. - Т. 80.

- В. 10. - С. 758-762.

(3) С. Н. Вдовичев, А. Ю. Климов, Ю. Н. Ноздрин, В. В. Рогов, Торцевые джозефсоновские переходы с прослойкой из нитрида кремния II Письма в Журнал Технической Физики. -2004. - Т. 30. - В. 9.

- С. 52-56.

(4) A. A. Fraerman, В. A. Gribkov, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, Yu. N. Nozdrin, G. L.Pakhomov, V. V. Rogov, and S.N. Vdovichev,On possibility of non-contact investigation into ferromagnetic nanoparticles using Josephson magnetometer // Physics of low-dimensional structures.

- 2004. - V. 1/2. - P. 111-116.

(5) A. A. Fraerman, L. Belova, B. A. Gribkov, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, V. L. Mironov, D. S. Nikitushkin, G. L. Pakhomov, К. V. Rao, V. B. Shevtsov, M. A. Silaev, and S. N. Vdovichev, Magnetic force microscopy to determine vorticity direction in elliptical Co nanoparticles 11 Physic of Low-Dimensional Structures. - 2004. - V. 1/2. - P. 35-40.

(6) A. A. Fraerman, B. A. Gribkov, S. A. Gusev, V. L. Mironov, N. I. Polushkin, S. N. Vdovichev, Observation of MFM tip induced remagnetization effects in elliptical ferromagnetic nanoparticles // Physics of low-dimensional structures. - 2004. - V. 1/2. - P. 117-122.

(7) A. A. Fraerman, I. M. Nefedov, I. R. Karetnikova, I. A. Shereshevskii, S. N. Vdovichev, Investigation of the dynamic coercivity effects in the lattices of ferromagnetic nanoparticles // Book of abstracts Moscow International Symposium on Magnetism MISM'2002. Moscow, Russia. June 20-24. - 2002. - P. 268-269.

(8) A. Y. Aladyshkin, A. A. FVaerman, S. A. Gusev, A. Y. Klimov, Y. N. Nozdrin, G. L. Pakhomov, V. V. Rogov, S. N. Vdovichev, Flux pinning in short Josephson junctions with ferromagnetic nanoparticles II Book of abstracts Moscow International Symposium on Magnetism MISM'2002. Moscow, Russia, June 20-24. - 2002. - P. 101.

(9) А. Ю. Аладышкин, С. Н. Вдовичев, С. А. Гусев, А. Ю. Климов, Ю. Н. Ноздрин, Г. Л. Пахомов, В. В. Рогов, А. А. Фраерман, Исследование влияния полей рассеяния ферромагнитных наночастиц на величину критического тока Джозефсоновского контакта // Тезисы докладов 33 совещания по физике низких температур ФНТ-33. Екатеринбург, Россия, июнь 17-20. - 2003. - С. 140-141.

(10) A. A. Fraerman, В. A. Gribkov, S. A. Gusev, Е. Il'ichev, A. Yu. Klimov, Yu. N. Nozdrin, G. L. Pakhomov, V. V. Rogov, R. Stolz and S. N. Vdovichev, Superconductivity controlled by the magnetic state of ferromagnetic nanoparticles 11 Book of abstracts Euro-Asian Symposium "Trends in Magnetism" EASTMAG-2004. Krasnoyarsk, Russia, August 24-27. - 2004. - P. 252.

(11) A. A. Fraerman, B. A. Gribkov, S. A. Gusev, V. L. Mironov, N. I. Polushkin, S. N. Vdovichev, Observation of MFM tip induced remagnetization effects in elliptical ferromagnetic Nanoparticles // Proceeding of international workshop scanning probe microscopy 2004. N. Novgorod, Russia, May 2-6. - 2004. - P. 95-98.

(12) A. A. Fraerman, L. Belova, B. A. Gribkov, S. A. Gusev,A. Yu. Klimov, V. L. Mironov, D. S. Nikitushkin, G. L. Pakhomov, К. V. Rao, V. B. Shevtsov, M. A. Silaev, S. N. Vdovichev, Magnetic force microscopy to determine vorticity direction in elliptical Co nanoparticles// Proceeding of international workshop scanning probe microscopy 2004. N. Novgorod, Russia, May 2-6. - 2004. - P. 201-204.

(13) А. А. Фраерман, С. H. Вдовичев, Б. А.Грибков, В. JI. Миронов, Н. И. Полушкин, Индуцированные зондом МСМ эффекты перемагни-чивания эллиптических наночастиц FeCr и Со // Сборник докладов 6-ого Белорусского семинара по сканирующей зондовой микроскопии БелСЗМ-6. Минск, Белоруссия, октябрь 12-15. - 2004. - С. 64-68.

(14) A. A. Fraerman, В. A. Gribkov, S. A. Gusev, A. Yu. Klimov, Yu. N. Nozdrin, G. L. Pakhomov, V. V. Rogov, and S. N.Vdovichev, On possibility of non-contact investigation into ferromagnetic nanoparticles using Josephson magnetometer // Proceeding of international workshop scanning probe microscopy 2004. N. Novgorod, Russia, May 2-6. - 2004. - P. 199-200.

(15) С. H.Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев, А. Ю. Климов, Ю. Н. Ноздрин, Г. JI. Пахомов, В. В. Рогов, А. А. Фраерман, Р. Штольц, Е. Ильичёв, Свойства джозефсоновских контактов в неоднородном поле ферромагнитных частиц // Материалы симпозиума Нанофизика и Наноэлектроника. Н.Новгород, Россия, март 25-29. -2005. - С. 52-55.

(16) С. Н. Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев, Е. Ильичев, Ю. Н.

Ноздрин, Г. Л. Пахомов, А. В.Самохвалов, Р. Штольтц, А. А. Фраер-ман, Эффекты соизмеримости в джозефсоновском контакте в поле массива магнитных частиц // Материалы симпозиума Нанофизика и Наноэлектроника. Н.Новгород, Россия, март 25-29. - 2005. - С. 391392.

(17) С. Н. Вдовичев, А. Д. Господчиков, Б. А. Грибков, С. А. Гусев, Особенности формирования магнитных наноструктур методом электронной литографии // Материалы симпозиума Нанофизика и Наноэлектроника. Н.Новгород, Россия, март 25-29. - 2005. - С. 171172.

(18) С. Н. Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев, В. Л. Миронов, Д. С. Никитушкин, А. А. Фраерман, В. Б. Шевцов, О возможности наблюдения эффектов хиральности в ферромагнитных нанона-стицах // Материалы симпозиума Нанофизика и Наноэлектроника. Н.Новгород, Россия, март 25-29. - 2005. - С. 173-174.

(19) В. Л. Миронов, Б. А. Грибков, А. А. Фраерман, И. Р. Каретникова, С. Н. Вдовичев, С. А. Гусев, И. М. Нефедов, И. А. Шере-шевский, Переходы между однородным и вихревым состояниями в наночастицах Со под действием магнитного поля зонда магнитно-силового микроскопа // Материалы симпозиума Нанофизика и Наноэлектроника. Н.Новгород, Россия, март 25-29. - 2005. - С. 182-183.

(20) С. Н. Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев, А. Ю. Климов, Ю. Н. Ноздрин, В. В. Рогов, А. А. Фраерман, Диодный эффект и увеличение критического тока в наноструктурированных гибридных Р-Б структурах // Материалы симпозиума Нанофизика и Наноэлектроника. Н.Новгород, Россия, март 25-29. - 2005. - С. 383-384.

05-14139

РНБ Русский фонд

2006-4 11442

Вдовичев Сергей Николаевич

ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ

ФЕРРОМАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ НА СВОЙСТВА ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДОВ

Автореферат

Подписано к печати 14 мая 2005 г. Тираж 100 экз.

Отпечатано на ризографе Института физики микроструктур РАН, 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

Введение

1. Ферромагнитные частицы как источник неоднородного магнитного поля

1.1. Введение.

1.2. Обзор литературы.

1.2.1. Переход между однодоменным и вихревым состояниями в

• ферромагнитных дисках.

1.2.2. Метастабильные состояния намагниченности малых ферромагнитных частиц.

1.3. Изготовление магнитных частиц на сверхпроводнике.

1.3.1. Особенности изготовления частиц на сверхпроводнике.

1.3.2. Исследование модификации свойств сверхпроводящей системы в процессе изготовления ферромагнитных частиц.

1.4. Исследование остаточных состояний в ферромагнитных частицах Со.

1.4.1. Методика магнитосиловых исследований.

1.4.2. Результаты исследований остаточных распределений в эллиптических частицах кобальта.

1.5. Расчет магнитных полей однородно намагниченных частиц.

1.6. Выводы.

2. Влияние неоднородного магнитного поля ферромагнитных частиц на критический ток торцевых джозефсоновских контактов

2.1. Введение.

2.2. Магнитные частицы на сверхпроводнике: обзор литературы.

2.2.1. Магнитные частицы над сверхпроводящими пленками.

2.2.2. Влияние искусственных неоднородностей на свойства джозефсоновских контактов.

2.3. Модель торцевого джозефсоновского перехода в неоднородном поле магнитных частиц.

2.4. Методика изготовления и исследование свойств торцевых джозеф-соноских контактов.

2.5. Экспериментальное исследование торцевых джозефсоновских переходов с магнитными частицами.

2.6. Выводы.

3. Свойства планарных джозефсоновских контактов и узких сверхпроводящих мостов в неоднородном магнитном ноле системы ферромагнитных частиц

3.1. Исследование свойств планарных переходов с магнитными частицами

3.2. Исследование свойств узких сверхпроводящих мостов с магнитными частицами.

3.2.1. Модель диодного эффекта для узких сверхпроводящих мостов с наномагнитами.

3.2.2. Экспериментальное исследование узких сверхпроводящих ни-обиевых мостов с магнитными частицами.

3.3. Выводы.

Актуальность работы

Развитие методов нанолитографии сделало возможным изготовление нанораз-мерных магнитов, что послужило стимулом для дальнейшего развития физики микромагнетизма. Магнитные свойства наноразмерных магнитов (или наномаг-нитов) сильно отличаются от характеристик объемных магнитных материалов, из которых они изготовлены. Во многих случаях технически важные магнитные свойства, такие как восприимчивость, коэрцитивность и остаточная намагниченность существенно увеличиваются при нанометровом структурировании. Это позволяет рассматривать подобные магнитные наноструктуры в качестве перспективных сред хранения информации [1, 2, 3, 4, 5, 6], магнитных сенсоров [3, 4, 7] и для элементов сред, реализующих квантовые вычисления [8, 9].

Свойства малых ферромагнитных частиц теоретически интенсивно исследуются последние пятьдесят лет, и основные представления на сегодняшний день сформированы. Магнитные частицы в виде дисков (цилиндр, в основании которого лежит круг) являются наиболее изученным объектом микромагнетизма. Это обусловлено двумя причинами. Во-первых, простая осесимметричная форма частиц позволяет строить простые физические модели и аналитически исследовать возможные распределения намагниченности. Во-вторых, нанодиски - это один из самых простых объектов, которые можно изготовить методами нанолитографии.

Известно, что в зависимости от радиуса и толщины ферромагнитных нано-дисков, основным состоянием наномагнита может быть однородное или вихревое распределение намагниченности [10]. Особенностью вихревого распределения является существование центральной области вихря, намагниченность которой перпендикулярна плоскости диска. Размер этой области (сердцевины или кора вихря) определяется обменной длиной 1ех = у/A/M*, где А - обменная константа, Ма -магнитный момент насыщения, и практически не зависит от радиуса частицы (если он больше размеров кора в несколько раз). Для обычных ферромагнитных материалов обменная длина 1ех находится в интервале 3-20 нм [11].

Конкуренция магнитостатического и обменного взаимодействий ведет к тому, что с увеличением радиуса и толщины частицы вихревое состояние становится энергетически более выгодным, чем однородное. У частиц, находящихся в вихревом состоянии поля рассеяния фактически отсутствуют, и, наоборот, эти поля относительно велики у частиц в однородном состоянии.

Для использования ферромагнитных частиц в качестве управляемого источника мелкомасштабного магнитного поля, необходимо чтобы в частицах существовало несколько метастабильных магнитных состояний, индуцирующих различные магнитные поля. Эта ситуация реализуется, если в наномагните вихревое и однородное распределения намагниченности устойчивы. Существующие на сегодняшний день экспериментальные результаты исследований остаточных распределений намагниченности в отдельных ферромагнитных дисках показывают, что, обычно, наблюдается лишь одно устойчивое состояние, т.е., область сосуществования вихревых и квазиоднородных распределений намагниченности в дисках очень узка [10, 12].

В частицах более сложной геометрии анизотропия формы может увеличить энергетический барьер, разделяющий вихревое и однородное состояния, что делает возможным существование метастабильного состояния. Например, в субмикронных эллиптических частицах (цилиндр в основании которого лежит эллипс) могут существовать как вихревое, так и однородное распределения намагниченности, одно из которых является основным, а другое - метастабильным состоянием [13, 14, 15, 16]. Область геометрических размеров эллиптических частиц, в которых наблюдаются метастабильные состояния, более широкая, чем в случае частиц в виде дисков.

Одной из искусственных магнитных наноструктур является периодическая решетка одинаковых наномагнитов. Решетка ферромагнитных наночастиц является уникальным источником неоднородного магнитного поля величиной порядка магнитного момента насыщения ферромагнетика и масштабом изменения, определяемым периодом решетки. Для типичных переходных металлов (Ее, N1, Со) магнитный момент насыщения М3 составляет ~ 1000 Гс. Период решетки частиц й , при современном развитии методов литографии, может изменяется в интервале от 10 до 1000 нанометров. Кроме того, магнитное поле частиц можно перестраивать путем перемагничивания всей решетки или отдельных ее частей внешним магнитным полем. Это свойство решеток ферромагнитных наночастиц открывает новые возможности для управления свойствами сред, высокочувствительных к магнитному полю, например, для управления свойствами сверхпроводников.

Как известно, внешнее магнитное поле проникает в сверхпроводник второго рода в виде нитей магнитного потока (абрикосовских вихрей), несущих один квант магнитного потока Ф0 = кс/2е ~ 2.07 * 10~7 Гс-см2. Введение искусственных дефектов является одним из способов контролируемого изменения свойств сверхпроводника. Такими искусственными дефектами могут служить ферромагнитные частицы, расположенных вблизи сверхпроводника. При этом предполагается, что магнитная частица может быть центром пиннинга вихрей в сверхпроводнике, а именно пиннинг абрикосовских вихрей определяет транспортные свойства сверхпроводника.

Практическая реализация этой идеи сталкивается с рядом трудностей. Если над сверхпроводником создать малые частицы (с размерами несколько десятков нанометров) с однородным распределением намагниченности, то магнитное поле, индуцируемое такими частицами, быстро спадает и на поверхности сверхпроводника величина поля пренебрежимо мала. Увеличение размеров частиц ведет к тому, что однородное распределение намагниченности становится неустойчивым, в частицах может существовать только вихревое распределение намагниченности и магнитные поля частиц опять отсутствуют. Для эффективного влияния на сверхпроводник необходимо, чтобы магнитная частица создавала магнитный поток порядка кванта потока, магнитное поле порядка 100 Э и имела субмикронные латеральные размеры, превосходящие масштабы абрикосовского вихря в сверхпроводнике. В то же время решетка наномагнитов должна быть достаточно плотной, и сравнимой с характерным периодом вихревой решетки, определяемым внешним магнитным полем, и составляющим единицы микрон. Таким образом, для эффективного управления сверхпроводником необходимо провести оптимизацию параметров системы ферромагнитных частиц как источника неоднородного магнитного поля. В частности, необходимо решить вопрос об определении размеров частиц, индуцирующих максимально возможное магнитное поле.

Впервые эксперимент по исследованию пиннинга абрикосовских вихрей на неупорядоченном массиве ферромагнитных частиц, внедренных вглубь массивного сверхпроводника был проведен в 1965 году Алденом и де Женом [17]. В этой работе также были проведены первые расчеты взаимодействия вихревых линий с магнитными диполями, и показано, что пиннинг вихрей на ферромагнитных частицах может привести к росту критического тока и увеличению намагниченности сверхпроводника. Однако эта работа более четверти века не имела продолжения, что можно объяснить отсутствием технологических возможностей изготовления ферромагнитных частиц с заданными магнитными свойствами и малой величиной предсказываемых эффектов.

Новый всплеск интереса к гибридным структурам ферромагнитные частицы -сверхпроводник возник в девяностых годах прошлого века. Началом этого этапа стали практически одновременно появившиеся теоретическая [18] и экспериментальная [19] работы. В этих работах впервые было предложено располагать магнитные частицы над тонкими пленками сверхпроводника, а не в глубине сверхпроводящего массива, как в работе [17]. Подобное расположение частиц позволяет контролировать их магнитное состояние, и строить и исследовать простые теоретические модели для взаимодействия магнитной и сверхпроводящей подсистем. Такая геометрия гибридных систем позволяет ставить и решать новые задачи физики, направленные на исследования взаимодействия ферромагнитных частиц и сверхпроводника, например [20, 21, 22, 23].

Работа [18] открыла цикл теоретических работ [24, 25, 26, 27], посвященных изучению возникновения, взаимодействия и пиннинга абрикосовских вихрей в поле магнитного диполя, расположенного вблизи сверхпроводника. Были установлены критерии образования абрикосовских вихрей под действием магнитного диполя и рассчитано взаимодействие магнитного диполя с вихревой линией, т.е. свойства магнитного диполя как центра пиннинга вихрей. В частности, возникновению сверхпроводящего вихря под действием магнитного диполя способствуют уменьшение толщины сверхпроводящей пленки, уменьшение расстояния между диполем и сверхпроводящей пленкой, увеличение магнитного момента диполя.

В экспериментальной работе [19] впервые исследовалось влияние периодической двумерной решетки ферромагнитных частиц на свойства тонкой сверхпроводящей пленки. Фактически эта работа определила дальнейшее направление исследований гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник.

Соизмеримость характерных масштабов в сверхпроводнике с периодом решетки и размерами магнитных частиц дает возможность для создания сверхпроводящих систем с контролируемым пиннингом вихрей. При исследовании гибридных систем, состоящих из периодической двумерной решетки наномагнитов и тонкой полоски сверхпроводника, наблюдался ряд интересных эффектов, заключающихся в осцилляторной зависимости сопротивления (критической температуры, намагниченности или критического тока) сверхпроводника от внешнего магнитного поля [19, 28]. Особенности характеристик сверхпроводника существуют при выполнении условия соизмеримости периода йа решетки абрикосовских вихрей, определяемого внешним магнитным полем (¿„ ~ (Ф0/Н)0 5, где Н - напряженность поля), и периода с? решетки магнитных частиц. Наблюдение эффектов соизмеримости в этих системах усложняется из-за дефектности реальных сверхпроводящих пленок, которая приводит к искажению решетки абрикосовских вихрей. Для уменьшения влияния этих искажений эксперименты проводятся при температуре Т, очень близкой к температуре сверхпроводящего перехода Тс, т.е., при значениях параметра т = (Тс — Т)/Тс ~ 0.01 — 0.05, что существенно затрудняет практическое использование решетки ферромагнитных частиц для управления пиннингом абрикосовских вихрей.

Одной из основных задач представляемой диссертационной работы является исследование вопроса о влиянии неоднородного магнитного поля системы ферромагнитных наночастиц на "слабые" сверхпроводники ("слабые связи") - джозеф-соновские контакты. В силу малого "собственного" пиннинга джозефсоновских вихрей эта система является более чувствительной к магнитному полю по сравнению с "сильными" сверхпроводниками. Задача о пиннинге, движении, излучении джозефсоновских вихрей в переходах со структурными неоднородностями интересна как с фундаментальной точки зрения, так и с точки зрения практических применений. Динамика джозефсоновских переходов может теоретически изучаться в рамках теории солитонов, называемых в этой ситуации флаксонами (джо-зефсоновскими вихрями, или квантами магнитного потока). При таком подходе естественно возникают аналогии со многими физическими явлениями в физике твердого тела, например [29]. С точки зрения практических применений, одним из важных объектов являются плотно упакованные цепочки флаксонов. Их взаимодействие со структурными неоднородностями переходов может существенно повлиять на многие, в том числе транспортные и высокочастотные свойства джозефсоновских контактов.

Таким образом, исследование свойств джозефсоновских контактов в неоднородном магнитном поле системы ферромагнитных частиц представляет интерес в связи с возможным эффективным управлением транспортными свойствами джозефсоновских переходов. Также вызывает интерес постановка обратной задачи -определение неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц с помощью джозефсоновского перехода.

Взаимодействие джозефсоновских вихрей со структурными неоднородностями проводилось и ранее. Можно выделить две основные группы работ по влиянию локальных неоднородностей на свойства джозефсоновских переходов. Первая группа объединяет исследования по влиянию абрикосовских вихрей на транспортные свойства джозефсоновских контактов. В работах [30, 31] показано, что даже один абрикосовский вихрь, находящийся в одном из электродов контакта, при соответствующих условиях, может так изменить разность фаз между берегами контакта, что критический ток джозефсоновского перехода будет полностью подавлен при нулевом внешнем магнитном поле (при этом цепочки джозефсоновских вихрей еще не существует). В экспериментальной работе [32] показано, что абрикосовские вихри, введенные в область джозефсоновского перехода, могут рассматриваться как локальные магнитные неоднородности, эффективно взаимодействующие с джо-зефсоновскими вихрями. Возможно решение и обратной задачи - определение положения абрикосовского вихря в электроде джозефсоновского контакта по виду зависимости критического тока от внешнего магнитного поля [31, 33, 34].

Вторая группа работ посвящена исследованию влияния искусственных диэлектрических неоднороднстей, на свойства джозефсоновских переходов. В частности в работах [35, 36] показано, что соизмеримость пространственного периода решетки неоднородностей с периодом цепочки флаксонов приводят к возрастанию вторичных максимумов на зависимости критического тока от магнитного поля. Такие периодические неоднородности могут так же приводить к синхронизации излучения цепочки движущихся флаксонов [37, 38].

Главное отличие магнитных частиц от других структурных неоднородностей в том, что магнитное поле частиц можно перестраивать путем перемагничивания частиц, т.е. наномагниты являются управляемыми "искусственными" структурными неоднородностями в джозефсоновских переходах. Также отличаются и механизмы влияния ферромагнитных частиц на переходы. Во-первых, возможно возникновение разности фаз в джозефсоновских контактах благодаря проникновению магнитных полей, индуцированных частицами, непосредственно в область перехода. Во-вторых, под действием магнитных частиц могут возникать абрикосовские вихри разных знаков, влияние которых на свойства джозефсоновских переходов еще не изучалось.

Цели и задачи работы

Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование влияния магнитного поля, индуцированного ферромагнитными нанояастицами, на свойства джозефсоновских переходов различной геометрии и узких сверхпроводящих мостов.

Задачи

• Оптимизация параметров системы ферромагнитных частиц как источника неоднородного магнитного поля.

• Изготовление гибридных структур ферромагнитные частицы-сверхпровод-ник.

• Экспериментальное исследование влияния неоднородного магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства торцевых джозефсоновских переходов.

• Экспериментальное исследование влияния магнитного поля системы ферромагнитных наночастиц на свойства планарных джозефсоновских переходов.

• Экспериментальное исследование влияния магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства узких сверхпроводящих мостиков.

Методы исследования

Джозефсоновские переходы и узкие сверхпроводящие мосты изготовлены методом магнетронного напыления и стандартными методами фотолитографии. При создании ферромагнитных частиц использовались методы лазерного и термического напыления, методы электронной литографии и процессы плазмохимического и ионного травления. Экспериментальное исследование остаточных состояний распределения намагниченности проведено методами магнитосиловой микроскопии. Для исследования электрофизических свойств сверхпроводящих мостов и джозефсоновских переходов использовался стандартный четырех-контактный метод измерений. Теоретические расчеты распределения намагниченности в ферромагнитных частицах проводились на основе анализа уравнений Ландау-Лифшица-Гильберта для динамики магнитного момента во внешнем магнитном поле.

Научная новизна

• Впервые изготовлены джозефсоновские переходы "идеальной" торцевой геометрии малой емкости.

• Экспериментально обнаружено существование критической толщины для эллиптических субмикронных частиц Со, ограничивающих область существования метастабильных состояний с квазиоднородным распределением намагниченности.

• Изготовлены и исследованы гибридные структуры нового типа, состоящие из ферромагнитных наночастиц и джозефсоновских переходов различной геометрии. В торцевых контактах наблюдался эффект соизмеримости между периодическим магнитным полем частиц и распределением плотности джо-зефсоновского тока. В планарных контактах наблюдалось гигантское (в 5-6 раз) изменение максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц.

• Обнаружено, что критический ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля. Обнаружено существование диодного эффекта в этих гибридных системах -величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля.

Положения, выносимые на защиту

1) азработана методика изготовления джозефсоновских переходов "идеальной" торцевой геометрии малой емкости. Изготовлены джозефсоновские переходы идеальной" торцевой геометрии с критическим током 10—1000 мкА, нормальным сопротивлением 1—10 Ом и малой емкостью (менее Ю-11 — ю-12 Ф).

2) Разработана методика изготовления гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник. Изготовлены гибридные структуры: магнитные частицы на торцевых, планарных джозефсоновских переходах и сверхпроводящих мостах.

3) Экспериментально обнаружено существование критической толщины эллиптических субмикронных частиц Со с аспектным отношением длина/ширина 1.3 — 3, ограничивающей область существования метастабильных состояний с квазиоднородным распределением намагниченности.

4) В торцевых джозефсоновских контактах обнаружен эффект соизмеримости между периодами магнитного поля частиц и плотности джозефсоновского тока, проявляющийся в возрастании вторичных максимумов на зависимости критического тока от магнитного поля. В планарных джозефсоновских контактах обнаружено гигантское (в 5-6 раз) изменение максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц.

5) Обнаружено сильное влияние ферромагнитных частиц на зависимость 1С{Н) критического тока узкого сверхпроводящего мостика от внешнего однородного магнитного поля - критический ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля (до ~20%). В этих гибридных системах наблюдался диодный эффект - величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля (величина диодного эффекта достигает ~200%).

Научная и практическая ценность

Разработанные методики изготовления торцевых джозефсоновских переходов и гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник могут быть использованы во многих областях крио- и наноэлектроники. Изготовленные торцевые джозефсоновские переходы с критическим током 10-1000 мкА, нормальным сопротивлением 1-10 Ом и малой емкостью (менее Ю-11 — Ю-12 Ф) могут быть использованы для исследований субмикронных магнитных структур, в СВЧ технике (смесители, умножители и др.), при построении программируемого эталона напряжения и при формировании элементов сверхпроводящей логики. Разработанная методика изготовления магнитных частиц на сверхпроводнике может быть использована при создании различных гибридных структур ферромагнитные частицы - сверхпроводник.

Результаты исследования распределения намагниченности и магнитного поля, индуцированного субмикронными частицами Со, представляют интерес для исследования диаграммы магнитных состояний реальных ферромагнитных наноструктур и в связи с их возможным применением в микроэлектронике.

Проведенные исследования влияния магнитного поля ферромагнитных нано-частиц на свойства джозефсоновских переходов могут быть использованы как для анализа неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц, так и для управления транспортными свойствами джозефсоновских контактов.

Проведенные экспериментальные исследования влияния магнитного поля ферромагнитных наночастиц на свойства пленарных джозефсоновских переходов и узких сверхпроводящих мостов представляют интерес в связи с их возможным применением в микроэлектронике. Изготовленные лабораторные образцы могут служить прототипом новых элементов криоэлектроники.

Апробация работы и научные публикации

Работа выполнена в Институте физики микроструктур РАН (Нижний Новгород). Основные положения и результаты диссертационной работы неоднократно обсуждались на семинарах ИФМ РАН, а также были представлены на Международном симпозиуме по магнетизму (М18М-2002 - Москва); Всероссийском совещании по физике низких температур (ФНТ-33, 2003 г. - Екатеринбург); международном евро-азиатском симпозиуме "Прогресс в магнетизме" (ЕА8ТМАС-2004 - Красноярск); международном совещании по сканирующей зондовой микроскопии (ЭРМ-2004 - Н.Новгород); Белорусском семинаре по сканирующей зондовой микроскопии (БелСЗМ-6, 2004 г. - Минск); симпозиуме Нанофизика и Наноэлек-троника (Н.Новгород, 2005 г.).

По результатам выполненных исследований опубликовано 20 научных работ (6 статей в реферируемых журналах и 14 докладов на российских и международных конференциях).

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 132 наименований. Общий объем — 155 страниц, в диссертации приведено 62 рисунка.

3.3. Выводы.

В этой главе представлены результаты исследований влияния ферромагнитных частиц на зависимость от внешнего магнитного поля критического тока джозеф-соновских контактов планарной геометрии и узких сверхпроводящих мостов.

Наблюдавшиеся изменения "фраунгоферовой" картины 1С{Н) планарных джо-зефсоновских контактов связано с образованием абрикосовских вихрей в верхнем электроде контакта под действием однородно намагниченных частиц. Это явление может быть использовано для эффективного управления транспортными свойствами таких контактов.

Обнаружено сильное влияние ферромагнитных частиц на 1С(Н) зависимость критического тока узкого сверхпроводящего моста от внешнего однородного магнитного поля: критический ток узкого сверхпроводящего моста с магнитными частицами растет с увеличением внешнего магнитного поля (до 20 %). В этих гибридных системах существует диодный эффект: величина критического тока зависит от взаимной ориентации направлений протекания тока и приложенного внешнего однородного поля (величина диодного эффекта достигала 200%).

Заключение

В диссертации экспериментально исследовало влияние неоднородного поля ферромагнитных наночастиц на транспортные свойства джозефсоновских переходов и узких сверхпроводящих мостов. Исследования включают в себя полный цикл работ - изготовление и экспериментальное изучение гибридных Г-Б наноструктур, построение и анализ простых физических моделей, описывающих свойства этих структур.

Одним из важных результатов проведенных исследований явилась разработка технологий изготовления гибридных структур ферромагнитные частицы-сверх-проводник. В частности, разработана технология и изготовлены торцевые джо-зефсоновские переходы Nb\SiNx\Nb, а также разработана технология и изготовлены ферромагнитные частицы на сверхпроводнике, в том числе и на структурах со слабой связью (на джозефсоновских переходах различной геометрии).

Установлены оптимальные параметры системы ферромагнитных частиц как источника неоднородного магнитного поля, эффективно влияющего на сверхпроводящую подсистему. Проведены исследования остаточных распределений намагниченности в эллиптических субмикронных частиц Со. Экспериментально обнаружено существование критической толщины для эллиптических субмикронных частиц Со, ограничивающей область существования метастабильных магнитных состояний.

Изготовлены и экспериментально исследованы гибридные структуры нового типа, состоящие из ферромагнитных наночастиц и джозефсоновских переходов различной геометрии. Для торцевых контактов наблюдался эффект соизмеримости между периодическим магнитным полем частиц и решеткой джозефсоновских вихрей. Для планарных контактов наблюдались гигантские (в 5-6 раз) изменения максимального критического тока в зависимости от магнитного состояния частиц.

Проведен расчет магнитных полей, индуцированных однородно намагниченной частицей, для параметров, отвечающих условиям реального эксперимента. В частности, установлено, что среднее, по площади джозефсоновского перехода, магнитное поле, создаваемое однородно намагниченной частицей, прямо пропорционально толщине частицы и обратно пропорционально толщине (длине) торцевого планарного) перехода.

Показано, что влияние магнитного поля частиц на торцевые и планаряые переходы имеет принципиально разный физический характер. Так, в случае торцевых контактов магнитное поле частиц непосредственно модулирует разность фаз в переходе. Проведен расчет разности фаз в торцевом контакте, обусловленной проникновением магнитных полей частиц непосредственно в область перехода. Результаты расчетов качественно совпадают с результатами эксперимента. В случае же планарных переходов влияние магнитного поля частиц связано с образованием и пиннингом абрикосовских в электроде контакта, покрытого частицами.

Обнаружены эффекты выпрямления и роста критического тока с увеличением внешнего магнитного поля в гибридных структурах ферромагнитные частицы -узкий сверхпроводящий мост . Наблюдена и объяснена зависимость критического тока от направления протекания тока и от направления приложенного внешнего магнитного поля (диодный эффект). В проведенных экспериментах рост критического тока с увеличением магнитного поля • 100% достигал 20%. Величина диодного эффекта

• 100% достигала почти 200%, так же, как и величина • 100%.

VIя) чк-н)

Полученные в ходе выполнения диссертационной работы результаты поставили ряд новых задач, решение которых представляет интерес как с фундаментальной, так и практической точки зрения. Фактически, это первые эксперименты с гибридными структурами нового типа, открывающие широкие возможности для дальнейших экспериментальных и теоретических исследований.

В частности, можно выделить следующие направления дальнейших исследований:

• Исследование возможности использования торцевого джозефсоновского перехода как фурье-анализатора неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц.

• Исследование влияния решетки пар вихрь-антивихрь, возникших под влиянием решетки магнитных частиц, на транспортные свойства планарного джозефсоновского перехода.

• Исследование влияния неоднородного магнитного поля системы субмикронных частиц на критический ток сверхпроводящего моста.

Результаты полученные в диссертации могут послужить отправной точкой для описания транспортных свойств подобных структур.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своему научному руководителю А. А. Фраерману за искренний интерес и постоянную помощь на всех этапах работы над диссертацией; поблагодарить всех сотрудников ИФМ РАН, совместная работа и общение с которыми сделали возможным появление настоящей диссертации; особую благодарность автор выражает Ю. Н. Ноздрину, А. Ю. Климову, Б. А. Грибкову — за помощь и постоянный интерес к работе; С. А. Гусеву, Л. А. Мазо, В. В. Рогову, Г. Л. Пахомову, Е. Д. Чхало — за помощь в работе и ценные советы при обсуждении результатов диссертации; группе зондовых измерений — В. Л. Миронову, Д. С. Никитушкину, В. Б. Шевцову; лаборатории математического моделирования — И. А. Шерешев-скому, И. М. Нефедову, И. Р. Каретниковой; а также А. В. Самохвалову, А. С. Мельникову, Д. Ю. Водолазову, А. Ю. Аладышкину, Е. Е. Пестову, Н. И. Подушкину — за критические замечания и ценные советы при обсуждении результатов диссертации; Н. Н. Салащенко и С. В. Гапонову за поддержку работы.

1. O'Grady К. The limits to magnetic recording media considerations /К. O'Grady, H. Laidler// J. Magn. Magn. Mater. - 1999. - V. 200 - P. 616 - 633.

2. Weiler D. Thermal effect limits in Ultrahigh-density magnetic recording /D. Weiler, A. Moser// IEEE TVans. Magn. -1999 V. 35, - 6, P. 4423 - 4439.

3. Prinz G. A. Magnetoelectronics /G. A. Prinz// Science 1998 - V. 282 - P. 1660- 1663.

4. Prinz G. A. Magnetoelectronics application /G. A. Prinz// J. Magn. Magn. Mater.- 1999. V. 200 - P. 57 - 68.

5. Tehrani S. High density submicron magnetoresistive random access memory /S. Tehrani, E. Chen, M. Durlam et al. // J. Appl. Phys. 1999 - Vol. 85 - P. 5822 -5827.

6. Warot B. Magnetic properties of patterned tunnel junctions /В. Warot, A. K. Petford-Long and Т. C. Anthony. //J. Appl. Phys. 2003 - Vol. 93 - P. 7287 -7289.

7. Cowburn R. P. Magnetic nanodots for device applications /R. P. Cowburn// J. Magn. Magn. Mater. 2002. - V. 242-245 - P. 505 -511.

8. Averin D. V. Quantum computation: Solid-state qubits under control /D. V. Averin // Nature 1999 - V. 398 - P. 748 - 749.

9. Golubovic D. S. Magnetic Phase Shifter for Superconducting Qubits /D. S. Golubovic,W. V. Pogosov, M. Morelle, and V. V. Moshchalkov// Phys. Rev. Lett.- 2004. V. 92 - P. 177904-1 - 177904^4.

10. Cowburn R. P. Single-Domain Circular Nanomagnets /R. P. Cowburn, D. K. Koltsov, A. O. Adeyeye et al.// Phys. Rev. Lett. 1999. - V. 83. - P. 1042 - 1045.11. http://math.nist.gov/oommf

11. Lebib A. Size and thickness dependencies of magnetization reversal in Co dot arrays /А. Lebib, S. P. Li, M. Natali, and Y. Chen // J. Appl. Phys. 2001. -Vol. 89 - P. 3892 - 3896.

12. Алексеев A. M. Наблюдение остаточных состояний малых магнитных частиц: микромагнитное моделирование и эксперимент /А. М. Алексеев, В. А. Быков, А. Ф. Попков и др. // Письма в ЖЭТФ 2002. - Т. 75. - С. 318 - 322.

13. Girgis Е. Switching characteristics and magnetization vortices of thin-Шт cobalt in nanometer-scale patterned arrays /Е. Girgis, J. Schelten, J. Shi et al. // Appl. Phys. Lett. 2000. - V. 76 - P. 3780 - 3782.

14. Fernandez A. Magnetic domain structure and magnetization reversal in submicron-scale Co dots /А. Fernandez, M. R. Gibbons, M. A. Wall, C. J. Cerjan //J. Magn. Magn. Mater. 1998. - V. 190 - P. 71-80.

15. Fernandez A. Nucleation and annihilation of magnetic vortices in submicron-scale Co dots /А. Fernandez and C. J. Cerjan // J. Appl. Phys. 2000. - Vol. 87 -P. 1395 - 1401.

16. Alden Т. H. Ferromagnetic Particles in a Type-II Superconductor /Т. H. Alden and J. D. Livingston // J. Appl. Phys. 1966. - Vol. 37 - P. 3551 - 3556.

17. Tokman I. D. Pinning of a vortex lattice on magnetic inhomogeneities in a thin superconducting film (type-II superconductor) /I. D. Tokman // Phys. Lett. A. -1992. Vol. 166 - P. 412 - 415.

18. GeofEroy O. Magnetic and transport properties of ferromagnetic particulate arrays fabricated on superconducting thin films /О. Geoffroy, D. Givord, Y. Otani et al.// J. Magn. Magn. Mater. 1993. - V. 121 - P. 223 - 226.

19. Рязанов В. В. Эффект близости и спонтанная вихревая фаза в планарных SF-структурах /В. В. Рязанов, В. А. Обознов, А. С. Прокофьев, С. В. Дубонос // Письма в ЖЭТФ 2003. - Т. 77. - С. 43 - 47.

20. Aladyshkin A. Yu. The Little-Parks effect and multiquanta vortices in a hybrid superconductor-ferromagnet system /A. Yu. Aladyshkin, A. S. Mel'nikov, D. A. Ryzhov //J. Phys. Cond. Mat. 2002. - Vol. 15 - P. 6591 - 6597.

21. Aladyshkin A. Yu. Domain wall superconductivity in hybrid superconductor -ferromagnetic structures /A. Yu. Aladyshkin, A. I. Buzdin, A. A. Fraerman, et al.// Preprint 2003 - cond-mat/0305520.

22. Yang Z. R. Domain-wall superconductivity in superconductor-ferromagnet hybrids /Z. R. Yang, M. Lange, A. Volodin, R. Szymczak, V. V. Moshchalkov// Nature Materials 2004 -V. 3 - P. 793-798.

23. Wei J. C. Magnetic force acting on a magnetic dipole over a superconducting thin film /J. C. Wei, J. L. Chen, L. Horng, T. J. Yang// Phys. Rev. B 1996. - Vol. 54. - P. 15429 - 15437.

24. Chen J.L. Thickness dependence of magnetic force and vortex creation in type-II superconducting thin film /J. L. Chen, T. J. Yang, J. C. Wei, L. Horng // Phys. C. 1996. - Vol. 267 - P. 345 - 354.

25. Morgan D. J. Asymmetric Flux Pinning in a Regular Array of Magnetic Dipoles /D. J. Morgan and J. B. Ketterson// Phys. Rev. Lett. -1998. V. 80. - P.3614 -3617.

26. Brandt E. H. Vortices in physics /Е. H. Brandt, J. Vanacken, V. V. Moshchalkov // Phys. C. 2002. - Vol. 369 - P. 1 - 9.

27. Голубов А. А. Влияние одиночных абрикосовских вихрей на свойства туннельных джозефсоновских переходов /Голубов А. А., Куприянов М. Ю. // ЖЭТФ 1987. - Т. 49. - С. 1512 - 1523.

28. Hyun О. В. Motion of a single superconducting vortex /О. В. Hyun, J. R. Clem, and D. K. Finnemore// Phys. Rev. В 1989. - Vol. 40. - P. 175 - 181.

29. Губанков В. H. Пиннинг флуксонов на структуре абрикосовских вихрей в длинном джозефсоновском туннельном переходе /Губанков В. Н., Лисицкий М. П., Серпученко И. Л., Фистуль М. В. // Письма в ЖЭТФ 1993. - Т. 57.- С. 468 472.

30. Miller S. L. Critical currents of cross-type superconducting-normal-superconducting junctions in perpendicular magnetic fields /S. L. Miller, K. R. Biagi, J. R. Clem, and D. K. Finnemore// Phys. Rev. В -1985. Vol. 31 -P. 2684 - 2693.

31. Маломед В. A. Flux pinning in large Josephson junctions with columnar defects /В. А. Маломед, А. В. Устинов// Физ. Низк. Темп. 1989. - Vol. 15 - P. 1128- 1137.

32. Tinkham M. Flux pinning in large Josephson junctions with columnar defects /М. A. Itzler and M. Tinkham // Phys. Rev. В 1995. - Vol. 51 - P. 435 - 445.

33. Маломед Б. А. Резонансное излучение цепочки джозефсоновских вихрей на решетке неоднородностей /Маломед Б. А., Серпученко И. Л., Трибельский М. И., Устинов А. В. // Письма в ЖЭТФ 1993. - Т. 47. - С. 505 - 507.

34. Серпученко И. JI. Экспериментальное наблюдение тонкой структуры на ВАХ длинных джозефсоновских переходов с решеткой неоднородностей /Серпученко ИЛ., Устинов А.В. // Письма в ЖЭТФ 1987. - Т. 46. - С. 435 - 437.

35. Slonczewski J. С. Conductance and exchange coupling of two ferromagnets separated by a tunneling barrier /J. C. Slonczewski// Phys. Rev. B. 1988. -V. 39. - P. 6995 - 7002.

36. Garcia N. Magnetoresistance in excess of 200% in Ballistic Ni Nanocontacts at Room Temperature and 100 Oe /N. Garcia, M. Munoz, and Y.-W. Zhao// Phys. Rev. Lett. 1999. - V. 82. - P. 2923 - 2926.

37. Chopra H. D. Ballistic magnetoresistance over 3000% in Ni nanocontacts at room temperature /Н. D. Chopra and S. Z. Hua// Phys. Rev. В 2002. - Vol. 66. -P. 020403-1 - 020403-3.

38. Scholz W. Transition from single-domain to vortex state in soft magnetic cylindrical nanodots /W. Scholz, K. Yu. Guslienkob, V. Novosad and et al.// J. Mag. Mag. Mat. 2003. - V. 266. - P. 155-163.

39. Ha J. K. Micromagnetic study of magnetic configurations in submicron permalloy disks /J. К. Ha, R. Hertel, and J. Kirschner // Phys. Rev. В 2003 - Vol. 67. -P. 224432-1 - 224432-9.

40. Hwang M. Remanent state studies of truncated conical magnetic particles /М. Hwang, M. redjdal, f. B. Humphrey and C. A. Ross, // J. Appl. Phys. 2001. -Vol. 89 - P. 7582 - 7584.

41. Girgis E. Switching characteristics and magnetization vortices of thin-film cobalt in nanometer-scale patterned arrays /Е. Girgis, J. Schelten, J. Shi, et al.// Appl. Phys. Lett. 2000. - V. 76 - P. 3780 - 3782.

42. Aladyshkin A. Y. Infuence of ferromagnetic nanoparticles on the critical current of Josephson junction / A. Y. Aladyshkin, A. A. Fraerman, S. A. Gusev et al.// J. Mag. Mag. Mat. 2003. - V. 258-259. P. 406-408.

43. Metlov K. L. Stability of magnetic vortex in soft magnetic nano-sized circular cylinder /K. L. Metlov, K. Y. Guslienko //J. Magn. Magn. Mater. 2002. -V. 242-245 - P. 1015-1017.

44. Victora R. H. Micromagnetic predictions for thermally assisted reversal over long time scales /J. Xue and R. H. Victora// Appl. Phys. Lett. 2000. - V. 77 - P. 3432- 3434.

45. Victora R. H. Micromagnetic predictions of bit decay caused by thermal fluctuations over long time scales /J. Xue and R. H. Victora// J. Appl. Phys.- 2001. Vol. 89 - P. 6985 - 6987.

46. Ribeiro F. Micromagnetic simulation method with iV15 scaling /F. Ribeiro, P. P. Freitas, and J. L. Martin // J. Appl. Phys. 1999 - Vol. 85 - P. 5810 - 5812.

47. Hillebrands B. Switching behavior of a Stoner particle beyond the relaxation time limit /M. Bauer, J. Fassbender, B. Hillebrands and R. L. Stamps// Phys. Rev. B -2000. Vol. 61 - P. 3410 - 3416.

48. Aharoni A. Effect of a Magnetic Field on the Superparamagnetic Relaxation Time /A. Aharoni// Phys. Rev. -1969. Vol. 177 - P. 793 - 796.

49. Porrati F. Diagram of the states in arrays of iron nanocylinders /F. Porrati and M. Huth // Appl. Phys. Lett. 2004. - V. 85 - P. 3157 - 3159.

50. Fraerman A. A. Rectangular lattices of permalloy nanoparticles: Interplay of single-particle magnetization distribution and interparticle interaction /A. A. Fraerman, S. A. Gusev, L. A. Mazo et al.// Phys. Rev. B -2002. Vol. 65 -P. 064424-1 - 064424-5.

51. Natali M. Correlated Magnetic Vortex Chains in Mesoscopic Cobalt Dot Arrays /М. Natali,11. L. Prejbeanu, A. Lebib et al. // Phys. Rev. Lett. 2002. - V. 88. - P. 157203-1 - 157203-4.

52. Martin J. I. Ordered magnetic nanostructures: fabrication and properties /J. I. Martin, J. Nogues, K. Liu et al.// J. Magn. Magn. Mater. 2003. - V. 256 -P. 449-501.

53. Gusev S. A. Ceo Fulleride as a resist for nanolithograthy /S. A. Gusev, E. B. Kluenkov, L. A. Mazo et al.// Abstract of IWFAC-97(St. Peterburg) -1997 -P. 296.

54. Zhao Y. В. Electron stimulated polymerization of solid Ceo /Y. B. Zhao, D. M. Poirier, R. J. Pechman, and J. H. Weaver // J. Appl. Phys. 1994. - Vol. 64 -P. 577 - 579.

55. Pestov E. E. Third-order local nonlinear microwave response of YВа2Сиз07 and Nb thin films /Е. E. Pestov, V. V. Kurin, Yu. N. Nozdrin// IEEE Trans, on Appl. Supercond. 2001 - V. 11 - P. 131 - 134.

56. Аладышкин А. Ю. Исследование нелинейного СВЧ отклика сверхпроводников с помощью локальной методики /А. Ю. Аладышкин, А. А. Андронов, Е. Е. Пестов Изв. вузов. Радиофизика 2003 -Т. XLVI- С. 123 -143.

57. Изюмов Ю. А. Конкуренция сверхпроводимости и магнетизма в гетерострук-турах ферромагнетик/сверхпроводник / Ю. А. Изюмов , Ю. Н. Прошин , М. Г. Хусаинов // УФН 2002 - Т. 45 - С. 113 - 154.

58. Zhu X. Magnetic force microscopy study of electron-beam-patterned soft permalloy particles: Technique and magnetization behavior /X. Zhu, P. Grutter, V. Metlushko and B. Die// Phys. Rev. В 2002. - Vol. 66 - P. 024423-1 - 024423-7.

59. Миронов В. JL Основы сканирующей зондовой микроскопии /В. JL Миронов // М.: Техносфера 2004. - 144 с.

60. Okuno Т. MFM study of magnetic vortex cores in circular permalloy dots: behavior in external field /T. Okuno, K. Shigeto, T. Ono et al.// J. Magn. Magn. Mater. -2002. V. 240 - P. 1 - 6.

61. Fraerman A. A. Observation of MFM tip induced remagnetization effects in elliptical ferromagnetic nanoparticles /А. A.Fraerman B.A.Gribkov, S.A.Gusev and et al.,// Phys. Low Dim. Struct. - 2004 - № 1/2 - P. 117 - 122.

62. Джексон Дж. Классическая электродинамика /Дж.Джексон// М.:Мир -1965. 704 с.

63. Milosevic М. V. Multi-vortex states of a thin superconducting disk in a step-like external magnetic field /М. V. Milosevic, S. V. Yampolskii, F. M. Peeters // Phys. С 2002. - Vol. 369 - P. 343 -346.

64. Milosevic M. V. Vortex structure of thin mesoscopic disks in the presence of an inhomogeneous magnetic field /М. V. Milosevic, S. V. Yampolskii, F. M. Peeters // Phys. Rev. В 2002. - Vol. 66 - P. 024515-1 -024515-19.

65. Lyuksyutov I. F. Ferromagnet-Superconductor Hybrids /I. F. Lyuksyutov, V. L. Pokrovsky // Preprint 2004 - Cond-mat/9809116.

66. Lyuksyutov I. F. Magnetization Controlled Superconductivity in a Film with Magnetic Dots /I. F. Lyuksyutov, V. L. Pokrovsky // Phys. Rev. Lett. 1998. -V. 81. - P. 2344 - 2347.

67. Erdin S. Magnetization Controlled Superconductivity in a Film with Magnetic Dots /S. Erdin, I. F. Lyuksyutov, V. L. Pokrovsky // Phys. Rev. Lett. 1998. -V. 88. - P. 017001-1 - 017001-4.

68. Helseth L. E. Interaction between a magnetic domain wall and a superconductor /L. E. Helseth, P. E. Goa, H. Hauglin et al. // Phys. Rev. В 2002. - Vol. 65 -P. 132514-1 -132514-4.

69. Fraerman A. A. Magnetization reversal of ferromagnetic nanodisc placed above a superconductor /А. A. Fraerman, I. R. Karetnikova, I. M. Nefedov et al.// Preprint 2004 - cond-mat/0410201.

70. Буздин А. И. Существование сверхпроводящих стенок в ферромагнетике /А. И. Буздин, Л. Н. Булаевский, С. В. Панюков // ЖЭТФ 1984. - Т. 87. -С. 299-309.

71. Bulaevskii L. N. Coexistence of superconductivity and magnetism. Theoretical predictions and numerical results /L. N. Bulaevskii, A. I. Buzdin, M. L. Kulic, S. V. Panyukov // Advances in Physics 1985. - Vol. 34. - P. 175-261.

72. Otani Y. Magnetostatic interactions between magnetic arrays and supercondacting thin films /Y. Otani, B. Pannetier, J. P. Nozieres, and D. Givord// J. Magn. Magn. Mater. 1993. - V. 126 - P. 622 - 644.

73. Nozaki Y. Magnetic flux penetration process in two-dimensional superconductor covered with ferromagnetic particle array /Y. Nozaki, Y. Otani, K. Runge et al.// J. Appl. Phys. 1996. - Vol. 79 - P. 8571 - 8577.

74. Martin J. I. Flux Pinning in a Superconductor by ал Array of Submicrometer Magnetic Dots /J. I. Martin, M. Velez, J. Nogues and I. K. Schuller// Phys. Rev. Lett. 1997. - V. 79. - P. 1929 - 1932.

75. Van Bael M. J. Vortex confinement by regular pinning arrays /М. J. Van Bael, L. Van Look, M. Lange et al. // Phys. С 2000. - Vol. 341-348 - P. 965 - 968.

76. Van Bael M. J. Ferromagnetic pinning arrays /М. J. Van Bael, L. Van Look, M. Lange et al. // Phys. С 2002. - Vol. 369 - P. 97 - 105.

77. Martinoli P. Vortex-Line Pinning by Thickness Modulation of Superconducting Films /Р. Martinoli, O. Daldini, J. L. Olsen and G. Berner// Phys. Rev. Lett. -1974. V. 32. - P. 218 - 221.

78. Fiory A. T. Critical currents associated with the interaction of commensurate flux-line sublattices in a perforated Al film /А. T. Fiory, A. F. Hebard and S. Somekh// App. Phys. Lett. 1978. -V. 32. - P. 73 - 75.

79. Baert M. Composite Flux-Line Lattices Stabilized in Superconducting Films by a Regular Array of Artificial Defects /М. Baert, V. V. Metlushko, R. Jonckheere et al.// Phys. Rev. Lett. 1995. - V. 74. - P. 3269 - 3272.

80. Rosseel E. Depinning of caged interstitial vortices in superconducting a — WGe films with an antidot lattice /Е. Rosseel, M. Van Bael, M. Baert et al.// Phys. Rev. В 1996. - Vol. 53 - P. 2983- 2986.

81. Grigorenko A. N. Direct imaging of commensurate vortex structures in ordered antidot arrays /А. N. Grigorenko, G. D. Howells, S. J. Bending et al.// Phys. Rev. В 2001. - Vol. 63 - P. 052504-1 - 052504-4.

82. Silhanek A. V. Guided vortex motion in superconductors with a square antidot array /А. V. Silhanek, L. Van Look, S. Raedts et al.// Phys. Rev. В 2003. -Vol. 68 - P. 214504-1 - 214504-6.

83. Raedts S. Flux-pinning properties of superconducting films with arrays of blind holes /S. Raedts, A. V. Silhanek, M. J. Van Bael, and V. V. Moshchalkov// Phys. Rev. В 2004. - Vol. 70 - P. 024509-1 - 024509-6.

84. Van Bael M. J. Local Observation of Field Polarity Dependent Flux Pinning by Magnetic Dipoles /М. J. Van Bael, J. Bekaert, K. Temst et al.// Phys. Rev. Lett.- 2001. V. 86. - P. 155 - 158.

85. Вдовичев С. H. Свойства джозефсоновских контактов в неоднородном магнитном поле системы ферромагнитных частиц / С.Н. Вдовичев, Б. А. Грибков, С. А. Гусев и др.// Письма ЖЭТФ 2004. - Т. 80. - стр. 758-762.

86. Lange М. Nanoengineered Magnetic-Field-Induced Superconductivity /М. Lange, М. J. Van Bael, Y. Bruynseraede and V. V. Moshchalkov// Phys. Rev. Lett. 2003.- V. 90. P. 197006-1 - 197006-4.

87. Villegas J. E. A Superconducting Reversible Rectifier That Controls the Motion of Magnetic Flux Quanta /J. E. Villegas, S. Savel'ev, F. Nori et al.// Science -2003 V. 302 - P. 1188 - 1191.

88. Horvat J. Improvement of critical current in MgB2/Fe superconducting wires by a ferromagnetic sheath /J. Horvat, X. L. Wang, S. Soltanian, and S. X. Dou// App. Phys. Lett. 2002. -V. 80. - P. 829 - 831.

89. Genenko Yu. A. Overcritical states of a superconductor strip in a magnetic environment /Yu. A. Genenko, A. Snezhko, H. C. Freyhardt// Phys. Rev. В -2000. Vol. 62 - P. 3453 - 3472.

90. Бароне А. Эффект Джозефсона: физика и применения /А. Бароне, Дж. Па-терно// М.: Мир 1984. - 640 с.

91. Hyun В. Elementary pinning force for a superconducting vortex /О. B. Hyun, D. K. Finnemore, L. Schwartzkopf, and J. R. Clem// Phys. Rev. Lett. 1987. -V. 58. - P. 599 - 601.

92. Самохвалов А. В. Максимальный сверхток джозефсоновского перехода в поле магнитных частиц А. В. Самохвалов// Письма в ЖЭТФ 2003. - Т. 78. -С. 822-826.

93. Лихарев К. К. Введение в динамику джозефсоновских переходов /К. К. Лихарев // М.: Наука 1985. - 320 с.

94. Hamilton С. A. Pairing symmetry in cuprate superconductors /С. A. Hamilton// Rev. Sci. Instrum. 2000. - V. 71. - P. 3611.

95. Dousselin G. Behavior of edge-grown low-capacitance superconducting tunnel junctions /G. Dousselin and J. Rosenblatt// J. Appl. Phys. 1980. - V. 51. -P. 802 804.

96. Broom R. F. Josephson junctions of small area formed on the edges of niobium films /R. F. Broom, A. Ooesenbrug, W. Walter.// Appl. Phys. Lett. 1980. -V. 37. - P. 237-329.

97. Гудков A. JI. Высококачественные торцевые джозефсоновские переходы Nb — Si* — Nb /А. JT. Гудков, М. Ю. Куприянов, К. К. Лихарев. // Письма в ЖТФ 1985. - Т. 11. - В. 23. - С. 1423-1428.

98. Gu J. Properties of niobium superconducting bridges prepared by electron-beam lithography and ion implantation /J. Gu, W. Cha, S. Namba// J. Appl. Phys. -1979. V. 50. - P. 6437-6442.

99. Kagan V. G. Josephson junction in a thin film /V. G. Kagan, V. V. Dobrovitski, J. R. Clem et all.// Phys. Rev. В 2001. - V. 63. - P. 144501-1 - 144501-9.

100. Owen C. S. Vortex Structure and Critical Currents in Josephson Junctions C. S. Owen, D. J. Scalapino// Phys. Rev. 1967. - V. 164. - P. 538 - 544.

101. Губанков В. H. Протекание тока в контактах сверхпроводник-полупроводник-сверхпроводник /В. Н. Губанков, С. А. Ковтонкж, В. П. Кошелец.// ЖЭТФ 1985. - Т. 89. - С. 1335-1341.

102. Wernsdorfer W. Experimental Evidence of the Neel-Brown Model of Magnetization Reversal /W. Wernsdorfer, E. Bonet Orozco, K. Hasselbach// Phys. Rev. Lett. 1997. - V. 78. - P. 1791 - 1794.

103. Fistul M. V. Current-voltage characteristic of a Josephson junction with randomly distributed Abrikosov vortices /М. V. Fistul, G. F. Giuliani// Phys. Rev. В 1997. - V. 56. - P. 788 - 794.

104. Fistul M. V. Abrikosov vortices in long Josephson junctions /М. V. Fistul, G. F. Giuliani// Phys. Rev. В 1998. - V. 58. - P. 9348 - 9353.

105. Stolz R. LTS SQUID sensor with a new configuration /R. Stolz, L. Fritzsch, H.-G. Meyer// Supercond. Sei. Technol. -1999. V. 12 - P. 806 - 808 .

106. Шмидт В. В. Введение в физику сверхпроводников /В. В. Шмидт// 2-е изд., испр. и доп. - М.: МЦНМО - 2000. - 402 с.

107. Reimann P. Brownian motors:noisy transport far from equilibrium /Р. Reimann// Phys. Rep. 2002. - V. 361. - P. 57 - 265.

108. Reimann P. Supersymmetric Ratchets /Р. Reimann// Phys. Rev. Lett. 2001.- V. 86. P. 4992 - 4995.

109. Song A. M. Nonlinear Electron Transport in an Asymmetric Microjunction: A Ballistic Rectifier A. M. Song, A. Lorke, A. Kriele et al.// Phys. Rev. Lett. 1998.- V. 80. P. 3831 - 3834.

110. Сабликов В. А. Эффект выпрямления в квантовом контакте /В. А. Сабли-ков, В. И. Борисов, А. И. Чмиль // Письма в ЖЭТФ 2005. - Т. 81. - С. 84 -89.

111. Lofgren A. Quantum behavior in nanoscale ballistic rectifiers and artificial materials /А. Lofgren, I. Shorubalko, P. Omling, and A. M. Song// Phys. Rev. В- 2003. V. 67. - P. 195309-1 - 195309-7.

112. Carapella G. Ratchet Effect: Demonstration of a Relativistic Fluxon Diode /G. Carapella and G. Costabile// Phys. Rev. Lett. 2001. - V. 87. - P. 077002-1 -077002-4.

113. Majer J. B. Quantum Ratchet Effect for Vortices /J. B. Majer, J. Peguiron, M. Grifoni et al.// Phys. Rev. Lett. 2003. - V. 90. - P. 056802-1 - 056802-4.

114. Wambaugh J. F. Superconducting Fluxon Pumps and Lenses /Л. F. Wambaugh, C. Reichhardt, С. J. Olson et al.// Phys. Rev. Lett. 1999. - V. 83. - P. 5106 -5109.

115. Olson С. J. Collective Interaction-Driven Ratchet for Transporting Flux Quanta /С. J. Olson, C. Reichhardt, B. Janky and F. Nori// Phys. Rev. Lett. ~ 2001. -V. 87. P. 177002-1 -177002-4.

116. Milosevic M. V. Vortex-Antivortex Lattices in Superconducting Films with Magnetic Pinning Arrays /М. V. Milosevic and F. M. Peeters// Phys. Rev. Lett.- 2004. V. 93. - P. 267006-1 - 267006-4.

117. Plourde B. L. T. Influence of edge barriers on vortex dynamics in thin weak-pinning superconducting strips /В. L. T. Plourde, D. J. Van Harlingen, D. Yu. Vodolazov et al.// Phys. Rev. В 2001. - V. 64. - P. 014503-1 - 014503-6.

118. Brandt E. H. Superconductors in realistic geometries: geometric edge barrier versus pinning /Е. H. Brandt // Phys. C. 2000. - Vol. 332 - P. 99 - 107.

119. Brandt E. H. Influence of edge barriers on vortex dynamics in thin weak-pinning superconducting strips /Е. H. Brandt , M. Indenbom// Phys. Rev. В 1993. V. 48. - P. 12893 - 12906.

120. Ульянов A. H. Выпрямление напряжения "жесткими" сверхпроводниками /А. Н. Ульянов // ЖТФ. 1999 - т.69 - в.7 - с.125 - 127.

121. Лихарев К. К. Образование смешанного состояния в плоских сверхпроводящих пленках /К. К. Лихарев // Изв. высш. уч. зав. Радиофизика. - 1971 -т.14 - с. 919 - 925.

122. Гершензон М. Е. Критические токи распаривания в узких ниобиевых пленках /М. Е. Гершензон, В. Н. Губанков // ФТТ. 1979 - т.21 - с. 700 - 703.

123. Боровик Е. С. Лекции по магнетизму /Е. С. Боровик, А. С. Мильнер// Харьков: ХГУ 1966. - 306 с.

124. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма /С. Тикадзуми// М.: Мир 1987.- 419 с.