Диссертация (Многощелевая сверхпроводимость допированных купратов), страница 7

Трехмерный микроконтакт можно представить в виде проколарадиуса a в изолирующем слое между двумя металлическими электродами, какпоказано на рис. 2.7. Если длина свободного пробега l удовлетворяет условию l>>a,сопротивление микроконтакта определяется характером воздействия прокола набаллистический пролет электронов.Из формулы Шарвина 2.3 следует соотношение 2.4, которое связывает радиусшарвинского контакта с его сопротивлением. Будем называть такой контакт "чистым"металлическим контактом (см. рис. 2.7b).Теперь рассмотрим “чистый” N-S- микроконтакт, для которого произведение lодинаково для обоих металлов, при Т=0 K и при отсутствии внешнего напряжения. Чтобудет с электроном с энергией E<Δ, вылетающим из нормального металла в сторонусверхпроводникового электрода? Электрон не может попасть в сверхпроводник какквазичастица,таккакминимальнаяэнергияквазичастичныхвозбужденийвсверхпроводнике равна Δ.

В то же время он не может отразиться от интерфейса какэлектрон, так как из эксперимента известно, что NS- интерфейс является хорошимпроводником. На самом же деле происходит андреевское отражение: электронотражается в нормальный металлический электрод как дырка, одновременно добавляякуперовскую пару в сверхпроводящий электрод. Энергии двух квазиэлектронов,формирующихвсверхпроводящемэлектродекуперовскуюпарунадлинекогерентности , расположены симметрично относительно уровня Ферми (процессявляется упругим). Андреевские отражения в “чистом” NS- контакте (Т=0 K) приводятк удвоению дифференциальной проводимости контакта в интервале смешений:48-/e  V  /e (эффективный заряд переносящих ток квазичастиц составляет 2e).Когданаходящийсявбаллистическомрежимеконтактсодержитдвасверхпроводящих электрода (SNS–тип), последовательные (многократные) андреевскиеотражения от двух NS- интерфейсов приводят к постепенному росту энергииквазичастиц в приложенном электрическом поле.

Этот процесс продолжается до техпор, пока энергия квазичастицы в N- области не превысит величину щели всверхпроводящих электродах, как показано на рис. 2.8). Каждая пара отраженийпереноситкуперовскуюпаруизодногосверхпроводящегоэлектродавпротивоположный. В нулевом электрическом поле многократные андреевскиеотраженияформируютсвязанныеандреевскиесостояния,поддерживающиесверхпроводящий ток через контакт. При конечном напряжении на “чистом”SNS-контакте многократные андреевские отражения сопровождаются появлениемнелинейностей(субгармоническойщелевойструктуры)навольтампернойхарактеристике баллистического симметричного SNS-контакта при смещениях:Vn=2/en, где n – целое число. Согласно теории Блондера, Тинкхема и Клапвика (БТК)[62-64] и Куммеля с соавторами [65] субгармоническая щелевая структура на dI/dVхарактеристике классического “чистого” SNS- контакта на базе сверхпроводников сизотропной щелью состоит из серии резких минимумов.

Качество субгармоническойщелевой структуры сильно зависит от отношения l/a. Еще одна особенностьклассических “чистых” SNS-контактов – значительный избыточный ток при малыхсмещениях.49Рис. 2.8. Схематичное движение квазичастицы при многократных андреевскихотражениях.50ГЛАВА 3 Исследование многощелевой сверхпроводимости ртутныхкупратов§ 3.1. Андреевская спектроскопия фаз Hg-1201, Hg-1212 и Hg-1223Использованная в работе техника получения контактов в ВТСП позволяетперестраивать контакт в исследуемом образце из туннельного режима (SIS контакт) вмикроконтактный режим (андреевский контакт SсS типа) и обратно.

Таким образом,открываетсяпринципиальнаявозможностьопределитьщелевойпараметруисследуемого ВТСП образца с помощью двух различных физических методов и вдальнейшем сравнить полученные результаты.Микроконтактная спектроскопия обладает, в принципе, более высокойточностью, чем туннельная спектроскопия. Во-первых, субгармоническая щелеваяструктура на ВАХ микроконтактов появляется только в случае субмикронных размеровэтих контактов, и неоднородности образцов по допированию проявляются значительнослабее. Во-вторых, щелевой параметр рассчитывается из серии андреевских рефлексов,причем число рефлексов n в хороших контактах может достигать пяти или семи, чтосущественно повышает точность расчетов.Уникальность микроконтактной спектроскопии состоит также в ее способностипредоставлять важную информацию о неупругом взаимодействии квазичастиц сэлементарными возбуждениями (фононы, магноны).Основные особенности вольт-амперных характеристик (ВАХ) андреевскихконтактов ScS–типа включают большой избыточный ток при малых смешениях исубгармоническую щелевую структуру (СГС), состоящую из серии резких проваловдинамической проводимости dI/dV при смещениях, удовлетворяющих условию [62-65]V2, где n = 1, 2en(3.1)51Обычно, субгармоническую щелевую структуру связывают с многократнымиандреевскими отражениями в SN-интерфейсах [62-65].

Этот тип структуры следуетотличать от СГС на ВАХ точечных квантовых контактов с низкой прозрачностьюинтерфейса [66,67]. В последнем случае СГС состоит из серии максимумовдинамической проводимости при напряжениях Vn=2/en. С увеличением прозрачностиинтерфейса серия максимумов превращается в серию минимумов [66,67], что совпадаетс результатами расчетов Куммеля с соавторами [65] для чистых классическихконтактов типа SсS. Мы предполагаем, что теоретическая модель Куммеля применимак нашим контактам на микротрещине в ртутных купратах.Качество СГС сильно зависит от отношения квазичастичной длины свободногопробега l к радиусу контакта a [62-65] В баллистическом режиме (l>>a) нормальноесопротивление R шарвинского контакта можно рассчитать по формуле 2.3 (см.

главу 2).Для ртутных купратов произведение l примерно составляет 1∙10-9 Ом∙cм2 и l≈3∙10-6 cм[68,69] Формула 2.3 может быть использована для грубой оценки радиуса контакта a.Типичное нормальное сопротивление R наших контактов при T=4.2 K находится вдиапазоне 10÷30 Ом. Отсюда можно оценить радиус исследованных в настоящейработе микроконтактов в ртутных купратах a2∙10-6 см.

Таким образом, для контактов висследованных в диссертационной работе образцов l≈a, что находится в согласии сограниченным числом n андреевских сингулярностей, составляющих полученные намиСГС [62-65].Нами установлено, что у андреевских контактов на микротрещине в образцахфаз Hg-1201 и Hg-1212 субгармоническая щелевая структура на ВАХ соответствуетоднощелевой сверхпроводимости, что видно из приведенных на рис.

3.1 – рис. 3.5характеристик. Незначительные отклонения от простой классической формы СГСсвязаны, возможно, с анизотропией щели.52Рис. 3.1. Субгармоническая щелевая структура на dI/dV – характеристике андреевскогонаноконтакта на микротрещине в образце AN1D01 однослоевого ртутного купратаHg-1201, близкого к оптимальному допированию (T=4.2 K, Tc=94 K, =26 мэВ).Пунктирные вертикальные линии отмечают положение андреевских сингулярностей всоответствии с формулой: Vn = 2/en.53Рис.

3.2. Субгармоническая щелевая структура на dI/dV – характеристике андреевскогонаноконтакта на микротрещине в образце AN1D11 однослоевого ртутного купратаHg-1201, близкого к оптимальному допированию (T = 4.2 K, Tc = 94 K,  = 26 мэВ).Пунктирные вертикальные линии отмечают положение андреевских сингулярностей всоответствии с формулой: Vn = 2/en.54Рис. 3.3.

Субгармоническая щелевая структура на dI/dV – характеристике андреевскогонаноконтакта на микротрещине в образце AN3A однослоевого ртутного купратаHg-1201, близкого к оптимальному допированию (T=4.2 K, Tc=91 K, =24.3 мэВ).Пунктирные вертикальные линии отмечают положение андреевских сингулярностей всоответствии с формулой: Vn=2/en.55Рис. 3.4.

Субгармоническая щелевая структура на dI/dV – характеристике андреевскогонаноконтакта на микротрещине в оптимально допированном образце двухслоевогортутного купрата Hg-1212 (T=4.2 K, Tc=120 K, =33 мэВ). Пунктирные вертикальныелинии отмечают положение андреевских сингулярностей в соответствии с формулой:Vn=2/en.56Рис. 3.5. Субгармоническая щелевая структура на dI/dV – характеристике андреевскогонаноконтакта на микротрещине в оптимально допированном образце двухслоевогортутного купрата Hg-1212 (T=4.2 K, Tc=120 K, =32 мэВ). Пунктирные вертикальныелинии отмечают положение андреевских сингулярностей в соответствии с формулой:Vn=2/en.57§ 3.2. Признаки многощелевой сверхпроводимости и неупругие многократныеандреевские отраженияВслучаетрехслоевогортутногокупратаHg-1223ситуацияменяетсякачественным образом (рис.

3.6). На ВАХ шарвинского Hg-1223 наноконтактапоявляются две независимые субгармонические щелевые структуры, соответствующиесущественно различающимся по величине сверхпроводящим щелям (рис. 3.6).Рис. 3.6. Две субгармонические щелевые структуры на dI/dV – характеристикахандреевскогонаноконтактанамикротрещиневпередопированномобразцетрехслоевого ртутного купрата Hg-1223 (T=4.2 K, Tc=124 K). Первая структурасоответствует малой щели IP=12 мэВ (кривые a и b), вторая структура соответствуетбольшой щели OP=49 мэВ (кривая c), Пунктирные и штриховые вертикальные линииотмечают положение андреевских сингулярностей в соответствии с формулой:Vn=2/en для двух субгармонических щелевых структур.58Первая структура соответствует малой щели IP=12 мэВ (кривые a, b и c).