Экспериментальные исследования токовых состояний низкоразмерных сверхпроводников (1097964), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Во-первых, существуют вполнеконкретныефундаментальныеограничениянауменьшениеразмеровстандартных (в первую очередь – полупроводниковых) элементов: квантовыеразмерные эффекты и конечные напряжения пробоя сверхтонких туннельныхбарьеров.Во-вторых,постоянноувеличивающаясястепеньинтеграциинакладывает исключительно жесткие условия на отвод тепла стандартных (несверхпроводящих) элементов. С этих точек зрения, следует ожидать, чтоиспользование сверхпроводящих систем может, до известной степени, решитьобозначенныепроблемыпростойзаменойнекоторыхкритических(нормальных) элементов - на соответствующие сверхпроводящие.
Наряду сэтим достаточно "прямолинейным" подходом, ожидается, что исключительно7интересная физика сверхпроводников нанометровых размеров должна привестии к развитию принципиально новых устройств: например, квантовый эталонэлектрического поля и элемент квантовой логики - квантовый бит.
Полученныевработеданныеимеютсамоепрямоеотношениекпрактическомуиспользованию низкоразмерных сверхпроводников в наноэлектронике.Основные положения, выносимые на защиту1.Разработана технология изготовления гибридных монокристаллическихмикрострукур при помощи комбинирования планаризации и взрывнойэлектроннойлитографии.Разработанаизапатентованатехнологияуменьшения размеров микро- и наноструктур при помощи физическоготравления в низкоэнергетическом направленном ионном пучке инертного газа.2.Обнаруженодальнодействующеевзаимодействиецентровпроскальзывания фазы в длинных сверхпроводящих микропроводах из олова.Вкороткихгибридныхмонокристаллическихсверхпроводящихмикрострукурах обнаружена ступенчатая зависимость сопротивления оттемпературы, проявляющаяся при произвольных значениях измерительноготока, и отсутствие нулевого сопротивления при температурах существеннониже критической.3.Показано, что вся совокупность экспериментальных результатов поисследованиюпространственных,энергетическихитемпературныххарактеристик релаксации зарядового и энергетического дисбаланса вгибридных микроструктурах из алюминия и меди при сверхнизкихтемпературах порядка 20 мК может быть описана феноменологическоймоделью, предполагающей справедливость равновесного выражения длятуннельного тока контакта нормальный металл - изолятор - сверхпроводник сиспользованием трех подгоночных параметров, зависящих от тока инжекцииквазичастиц и расстояния до инжектора: уширение плотности состояний,8энергетическая щель сверхпроводника и эффективный химический потенциалКуперовских пар.
Показано, что пространственная релаксации неравновесныхквазичастичныхвозбужденийвалюминииможетбытьописанаэкспоненциальной зависимостью с характерными масштабами 5±1.5 мкм и40±20 мкм для зарядового и энергетического дисбаланса, соответственно.4.Обнаружено, что нелокальные магнетоосцилляции сопротивления валюминиевых микроструктурах качественно могут быть описаны упрощенноймодельюнелокальноговзаимодействияскорреляционнойдлиной,совпадающей с длиной когерентности Гинзбурга-Ландау; в то время какнелокальные магнетоосцилляции критической температуры описываютсякорреляционной длиной, которая уменьшается с ростом магнитного поля.Показано,чтонелокальныемагнетоосцилляциикритическоготокакачественно описываются моделью, принимающей во внимание нелокальныемагнетоосцилляции критической температуры.5.Разработанамодельрезистивнойаномалиивалюминиевыхнаноструктурах, дающая удовлетворительное количественное согласие сэкспериментом.6.Показано,наноструктурах,чтовалюминиевыхизготовленныхиметодомтитановыхвзрывнойквазиодномерныхэлектроннолучевойлитографии и направленного вакуумного напыления, присутствие неизбежныхнеоднородностей не позволяет проведение количественного сравненияэкспериментальнойформысверхпроводящегопереходасмодельютермических флуктуаций параметра порядка.
Обнаружено, что в сверхтонкихалюминиевых и титановых квазиодномерных наноструктурах квантовыефлуктуации заметно размывают форму сверхпроводящего перехода, приводя кконечному сопротивлению при температурах существенно ниже критической.Показано, что форма сверхпроводящего перехода сверхтонких алюминиевыхититановыхквазиодномерныхнаноструктурмикроскопической моделью квантовых флуктуаций.9хорошоописывается7.Показано, что с уменьшением эффективного диаметра квазиодномерныхтитановых наноструктур и увеличении импеданса подводящих контактоввклад квантовых флуктуаций проявляется как возникновение на вольтамперной характеристике Кулоновской блокады, амплитуда которой зависитот электрического потенциала близкорасположенного электрода (затвора).Впервые показано, что при облучении системы внешним высокочастотнымизлучением на вольт-амперной характеристике появляются специфическиеособенности - Блоховские ступеньки.
Показано, что в квазиодномерныхсверхпроводящих каналах в режиме квантовых флуктуаций амплитудаБлоховских ступенек, их положение в токовой шкале и зависимость отамплитуды высокочастотного сигнала находятся в удовлетворительномсогласии с существующими теоретическими моделями, построенными дляДжозефсоновских контактов, тем самым подтверждая дуальность этих двухсистем.Достоверность полученных результатов подтверждается согласиемэкспериментальных данных, полученных на современном прецизионномоборудовании с использованием различных методик, как с независимымилитературнымиданными,представлениями.такЗначительнаяичастьссуществующимиисследованиймодельнымиподдерживаласьмногочисленными российскими и международными грантами, включающимикак научную экспертизу на стадии подачи заявки, так – и периодическуюотчетность в процессе выполнения проекта, что является еще дополнительнымподтверждением достоверности и актуальности работы.Апробация работыРезультаты работы являются итогом более чем 15-летних исследованийавтора в области мезоскопической сверхпроводимости.
Основные результаты,представленные в диссертации,докладывались на большом количестверегиональных и международных симпозиумов и семинаров, из которых более50 докладов - приглашенные. В качестве наиболее представительных форумов10можно отметить: Всероссийское совещание по физике низких температур(1994,1998); РосНаноТех форум (2008); Международная конференция пофизике низких температур (LT: 1996, 1999, 2002); Европейская конференция поприкладной сверхпроводимости (EUCAS: 2003, 2007, 2011); ежегодныеконференции Европейского (1997, 1998, 2002, 2004), Американского (2006),Швейцарского (1996, 1997) и Финских (1999, 2002-2007, 2011) физическихобществ;Всемирногоконгрессапосверхпроводимости(1994,1996);Международного семинара по макроскопической квантовой когерентности(2000,2001,2002,специализированные2004).Соискателеммеждународныебылиорганизованыконференциипочетыреквантовойнаноэлектронике (2005, 2006, 2008, 2009), на которых среди прочих докладовпредставлялись результаты настоящей диссертации.ПубликацииПо теме диссертации опубликовано 44 работы: статьи в рецензируемыхжурналах, входящих в перечень ВАК, 4 приглашенных обзора и 2 патента.Список основных публикаций приведен в конце автореферата.Личный вклад автораИзложенныевдиссертациирезультатыполученысоискателемсамостоятельно.
В ряде разделов, материалы получены в соавторстве состудентами и аспирантами, работавшими под руководством автора. В этихслучаяхсоискателембылапредложенапостановказадачи,методикаисследования и интерпретация результатов, а вклад молодых соавторов –изготовление и микроскопический анализ образцов, сбор экспериментальныхданных. В Главах 3, 6 и 7 интерпретация и обработка экспериментальныхданных делалась соискателем в соавторстве с теоретиками.11БлагодарностиВ первую очередь автор хочет выразить благодарность старшимколлегам, под чьим руководством он работал на различных этапах своейдеятельности: Я. Г.
Пономареву, В. В. Мощалкову, М. Ю. Куприянову,L.Rinderer, J. Indekeu и J. Pekola. Особая благодарность – младшим коллегам(студентам и аспирантам), работавшим под руководством соискателя и безвклада которых результаты диссертации не могли бы быть получены: О.Телечкину, А. Устиновскому, Е. Овченкову, В.
Тубольцеву, А. Юлукяну, К.Захарову, T. Ryynänen, K.-P. Riikonen, H.-P. Auraneva, J. Manz, S. Schmidlin, Ch.Pellinger, L. Taskinen, L. Leino, B. Ames, M. Savolainen, P. Jalkanen, T. Holmqvist,M.Zgirski,T.Hongisto, J.Lehtinen.Научныепубликацииявляютсяестественными результатами научной деятельности, и настоящая диссертация,безусловно, не является исключением. Поэтому – благодарности всемсоавторам, чьи имена отражены в списке основных публикаций соискателя,приведенном в конце автореферата.многочисленныефонды,которыеХотелось бы также поблагодаритьподдерживализначительнуючастьисследований: Российский Фонд Фундаментальных исследований (гранты1995, 1998, 2000 и 2004 гг.), Европейская Комиссия (гранты 2004-2006 и 20042007 гг.), Финская Академия Наук (грант 2007-2010 гг.), Финская ТехническаяАкадемия (грант 2010-2014 гг.), Министерство Образования и Науки РФ (грант2010 -2011 гг.).Структура и объем диссертацииДиссертациясостоитизВведения,семиГлав,Заключения,Благодарностей, Списка основных публикаций автора и Списка цитированнойлитературы (233 наименований).
Полный объем работы составляет 205страниц, в том числе - 106 рисунков.12КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫДиссертационная работа посвящена экспериментальному исследованиютоковых состояний низкоразмерных сверхпроводников различной геометрии иморфологии. В работе подробно изучен широкий класс гальваномагнитныхэффектов, типичных для квазиодномерных сверхпроводников. Показано, чтонеравновесные явления - активация центров проскальзывании фазы и инжекцияквазичастичныхвозбуждений-принципиальноважныдляописанияэлектронных транспортных свойств сверхтонких сверхпроводящих каналов.Квантовая нелокальность макроскопически когерентного сверхпроводникаприводит к качественно новым эффектам наблюдаемых на (суб)микронныхразмерах.
Как это типично для систем пониженной размерности, флуктуации вмезоскопическихсверхпроводникахквазиодномерныхканалахиграюттермическиесущественнуюфлуктуациироль.размываютВформусверхпроводящего перехода в области критической температуры. А в образцахеще более малых размеров – квантовые флуктуации приводят к подавлениюбездиссипативного электрического тока при сколь угодно малых температурах.Поведениеквазиодномерногосверхпроводникаврежимеквантовыхфлуктуаций идентично системе с Джозефсоновскими контактами. Этадуальность – эффект фундаментальной важности, который лежит в основеширокогоклассапотенциальныхприложенийвобластиквантовойнаноэлектроники.Во Введении обоснована актуальность тематики, сформулированыпостановка задачи и основные цели работы, показана их научная новизна ипрактическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту,обозначен личный вклад автора и кратко изложена структура диссертации.Глава 1 посвящена методологическим аспектам работы: методикеизготовления и измерения гальваномагнитных характеристик мезоскопическихсверхпроводников при низких и сверхнизких температурах.13В работе исследовались три типа систем: литографически изготовленныенанооструктуры,нитевидныемонокристаллическиемонокристаллымикропровода.Методика(вискеры)изготовленияипервых-взрывная электроннолучевая литография позитивного ПММА/ММА резиста инаправленноевакуумноенапыление-изложенавмногочисленныхмонографиях и не нуждается в детальном описании.Индиевые и оловянные микропровода в стеклянной оболочке сдиаметром металлической жилы до 100 нм и с длиной до нескольких смизготовлялись усовершенствованным методом Тэйлора-Улитовского [1] вИнституте Прикладной Физики Молдавии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
