Экспериментальные исследования токовых состояний низкоразмерных сверхпроводников (1097964)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописиАрутюновКонстантин ЮрьевичЭкспериментальное исследованиетоковых состояний низкоразмерныхсверхпроводниковCпециальность 01.04.09 - физика низких температурАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2012 г.Работа выполнена в отделе микроэлектроники Научно-ИсследовательскогоИнститута Ядерной Физики им. Д. В. Скобельцина МосковскогоГосударственного Университете имени М. В. Ломоносова.Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук,профессор, А.

Ф. АндреевДоктор физико-математических наук,профессор, В. В. РязановДоктор физико-математических наук,профессор, В. А. КульбачинскийВедущая организация:Физический институт имени П. Н. ЛебедеваРоссийской академии наук (ФИАН)Защита состоится " ___ " __________ 2012 г. в ___ часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.001.70 при Московском ГосударственномУниверситете имени М. В. Ломоносова по адресу: Россия, 119991, ГСП-1,Москва, Ленинские горы, ________________________________________.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физическогофакультета МГУ имени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан “___” __________ 2012 г.Ученый секретарьДиссертационного Совета Д 501.001.70,доктор физико-математических наук,профессорПлотников Г. С.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыЗа 100 лет с момента открытия сверхпроводимости в 1911 г.

это явление неперестает интересовать научную общественность. Стоит лишь заметить, чтоуже шесть Нобелевских премий в области физики были присуждены заисследования, косвенно (1913 и 1962 гг.) или непосредственно (1972, 1973,1987 и 2003 гг.) связанные со сверхпроводимостью. Можно взять на себяответственность и утверждать, что, по крайней мере - еще одна премия заобъяснение эффекта высокотемпературной сверхпроводимости - дожидаетсясвоей очереди. По всей видимости, два основных фактора определяют такуюуникальную притягательность феномена сверхпроводимости. Во-первых,нарядусосверхтекучестьюиБозе-Эйнштейновскойконденсацией,сверхпроводимость - явление, позволяющее наблюдать квантовые эффекты нена микроскопическом уровне (атомы), а - в макроскопических объектах. Вовторых, в отличие от двух других макроскопических квантовых явлений,сверхпроводящие элементы находят широкое применение в разнообразныхтехнических приложениях: магниты, силовые кабели линий электропередач,различные чувствительные устройства на базе сверхпроводящих квантовыхинтерферометрических детекторов (СКВИДов).

Список может быть успешнопродолжен. Хотелось бы особенно отметить новый класс устройств - квантовыебиты.Ожидается,(предположительносверхпроводников)что-использованиетвердотельныхдолжноэтихлогическихреализацийреволюционизироватьименнотакиеэлементовнаобластибазекаквычислительная техника и криптография.В связи с естественной тенденцией к миниатюризации электронных цепей,разумно задаться вопросом: существуют ли размерные ограничения навозникновениесверхпроводимости?Вопрос-какиеэкспериментальнонаблюдаемые проявления сверхпроводимости являются её и только еёисключительными атрибутами - представляется существенно сложнее, чемможет показаться на первый взгляд, и его обсуждение явно выходит за рамки3краткого введения в предмет мезоскопической сверхпроводимости.

Дляпростоты, в данном контексте мы предлагаем сконцентрироваться на трехявлениях,частоассоциируемыхсосверхпроводимостью:(1)нулевоеэлектрическое сопротивление (на постоянном токе), (2) диамагнитный отклик(эффект Мэйсснера) и (3) наличие энергетической щели в спектре возбуждений.Уже в ранних работах по исследованию электрической проводимоститонких пленок было замечено, что температура сверхпроводящего перехода Tcпонижается с уменьшением толщины пленки (у некоторых материалов).Справедливости ради, следует отметить, что у ряда металлов (например,алюминий и цинк) - наблюдается обратная тенденция. В любом случае,объективно существующий размерный эффект - изменение критическойтемпературы с толщиной пленки - обнаруживается на размерах, когдаморфология системы, как правило, радикально отличается от массивныхобразцов, изготовленных из того же самого материала.

Несмотря на ужеполувековую историю наблюдения этого явления, общепринятое объяснениеотсутствует. Более того, даже не вполне ясно: причина - во "внутренних"свойствах сверхпроводимости (например, размерно-зависимой перенормировкеэлектрон-фононного взаимодействия), или - в "технологических" особенностяхисследуемых пленок (гомогенность, наличие слабых связей между гранулами, ит. д.).Начиная с самых ранних попыток результаты по наблюдению размернойзависимости эффекта Мэйсснера были не вполне однозначными.

Магнитныйоткликсверхпроводящихнанокластеровдействительноуменьшаетсясуменьшением их размеров. Но при этом нельзя исключать возможность, чтоэффект может быть связан не только с размерно-зависимым подавлениемдиамагнетизма, но и - с перенормировкой (ростом) глубины проникновениямагнитного поля в сверхпроводник. Последний вклад приводит к понижениюмагнитного отклика малых систем, что, строго говоря, не тождественноотсутствию эффекта Мэйсснера. В более поздних работах по исследованиюсверхпроводящихгранулнанометровых4размеровметодомтуннельнойспектроскопии было показано, что энергетическая щель в спектре возбужденийзависит как от размера образца (за счет эффекта размерного квантования), так иот четности содержащихся в образце электронов.Во всех вышеперечисленных исследованиях характерный размер системы(толщина пленки или диаметр гранулы), как правило - менее 10 нм, будучиодного порядка с длиной свободного пробега электрона ℓ, которая, в своюочередь, в подобных объектах ограничивается минимальным размеромсистемы.

Два других характерных масштаба - длина когерентности ξ₀ и глубинапроникновения магнитного поля λL (соответственно ≃√(ξ₀ℓ) и ≃λL√(ξ₀/ℓ) вгрязном пределе ξ₀≫ℓ) - существенно превосходят 10 нм для большинстваклассических(невысокотемпературных)сверхпроводников.Сбурнымразвитием микро- и нанотехнологий в последние десятилетия стало возможнымвоспроизводимоеизготовлениедостаточноразнообразныхструктур,попадающих, в, так называемый, мезоскопический предел: с характернымгеометрическим размером значительно превосходящим длину свободногопробега электрона ℓ, но в то же время - меньше соответствующих физическихмасштабов.

В случае нормальных металлов, этим характерным размеромявляется длина неупругого рассеяния электрона; а для сверхпроводников длина когерентности ξ, задающая масштаб пространственного измененияпараметра порядка Δ.Из самых общих соображений, для сверхпроводников мезоскопическихразмеров ∼ξ должны быть характерны следующие специфические явления:(а) нелокальность: изменение параметра порядка Δ в точке с координатой r₀должно "чувствоваться" внутри объема ∣r₀-ξ∣;(б) типичная для малых объектов, сравнимых с размером статистическинезависимой подсистемы (в данном случае – ξ), чувствительность кфлуктуациям;(в) в гибридных структурах, состоящих из различных материалов неравновесные граничные явления, когда вся система малых размеров можетсчитаться "границей";5(г) в самых малых образцах - различные проявления квантовых размерныхэффектов, когда существенна дискретность энергетического спектра.Цели и задачи работыЦель данной работы - всестороннее экспериментальное исследованиетоковых состояний в сверхпроводящих системах мезоскопических размеров.Объектамиисследованияявлялисьразличногородаискусственныеструктуры, изготовленные из сверхпроводящих материалов с использованиемметодов микро- и нанотехнологий.

В подавляющем большинстве случаевгальваномагнитные измерения проводились при низких и сверхнизкихтемпературах до 8 мК.Помимо чисто фундаментального интереса к вопросу мезоскопическойсверхпроводимости, изучаемые явления имеют самое непосредственноеотношение к оптимизации работы широкого класса сверхпроводящих микро- инаноустройств.Научная новизна работы•Разработанытехнологияизготовленияиметодыисследованиясверхпроводящих наноструктур сверхмалых размеров.•Подробноисследованыквазиодномерныхэнергетическиеэнергетическогоразличныесверхпроводящихинанострукурах:температурныедисбаланса,неравновесныевпространственные,характеристикиприводящие,явлениявзарядовогоичастностикдальнодействующему взаимодействию центров проскальзывания фазы.Предложена феноменологическая моделью, описывающий широкий спектрнеравновесных явлений.•Проведено детальное исследование эффекта квантовой нелокальности всверхпроводникахмезоскопическихсоответствующие корреляционные длины.6размеровиопределены•Предложенамодельрезистивнойаномалиивсверхпроводящихнаноструктурах, дающая удовлетворительное количественная согласие сэкспериментальнымиданными:какизвестнымиизнезависимыхлитературных источников, так – и полученными в диссертации.•Подробно изучено влияние термических и квантовых флуктуаций нафизические свойства квазиодномерных сверхпроводников.

Исследованиесоздает фундамент для развития нового поколения квантовых логическихэлементов на базе эффекта квантового проскальзывания фазы.•В диссертации созданы основы для разработки устройств современнойквантовой криоэлектроники на основе квазиодномерных сверхпроводников,дуальных хорошо изученным Джозефсоновским устройствам. В частностипоказано, что наблюдаемые в таких сверхтонких сверхпроводящих каналахособенности вольт-амперных характеристик (Блоховские ступеньки) могутслужить базисом для разработки важного метрологического приложения квантового эталона электрического тока.Практическое значение работыВ связи с тенденцией к миниатюризации микро- и наноэлектронныхустройств исследование транспортных свойств сверхпроводников малыхразмеров представляется крайне интересным.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации