Эффект Джозефсона в контактах, содержащих многослойные FN структуры (1105380), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Установлены границы таких областейи доказано, что вне их как знак, так и величина критического тока не зависятот толщины F пленки, если она сравнима с длиной когерентности.Научно-практическая ценность диссертацииПолученные в данной диссертации результаты важны как с научной,так и с практической точек зрения. Их научная ценность состоит вполучении ряда новых фундаментальных результатов в области развитиятеории джозефсоновских переходов с ферромагнитными слоями в областислабых связей.К ним прежде всего относится предсказание существования π-контактовнового типа, возникающих в S-FNF-S переходах за счет суперпозициинеосциллирующих с расстоянием между S электродами вкладов в критическийток. Экспериментальное обнаружение такого π-контакта может служитьдоказательством существования дальнодействующей триплетной компоненты.Вторым,возможностибезусловноважным,осуществлениярезультатомэффективногоявляетсяуправлениядоказательствовеличинойизнаком критического тока S-(FNF)-S перехода при достаточно маломотклонении направлений намагниченности F слоев от их антиферромагнитнойконфигурации.
Такое управление является не только более энергетическивыгодным по сравнению с полным перемагничиванием структуры, но ипозволяет добиться существенного увеличение критического тока в πсостоянии по сравнению со значением Ic , получаемым в ферромагнитнойконфигурации, т.е. при полном перемагничивании одной из F пленок.Наконец, в диссертации теоретически доказано, что создание в SFSджозефновских контактах пространственных неоднородностей в направленииперпендикулярном направлению сверхтока сопровождается генерацией ряда6новых эффектов, одним из которых является доказанная в работе возможностьсущественного увеличения масштабов затухания и осцилляций критическоготока как функции расстояния между сверхпроводящими электродами.Практическое значение сформулированных в дисссертации результатовопределяется тем, что они фактически переводят проблему исследованийвзаимодействияферромагнетизмаисверхпроводимостиизчистофундаментальной в практическую плоскость.
Так, в предложенных структурахсняты имевшиеся ранее существенные с технологической точки зренияограничения на расстояние между сверхпроводящими электродами L, найденэффективный способ управления параметрами структур, определены областитолщин N и F слоев и расстояний L, в которых реализуется слабая зависимостьIc от разброса как геометрических, так и транспортных параметров материаловструктур, которые присущи любому технологическому процессу.
Фактически,в ходе выполнения данной работы предложен и детально исследован новыйтип управляемого джозефсоновского перехода - спиновый джозефсоновскийвентиль не имеющий аналогов в современной спинтронике. На данноеустройство получен патент Российской Федерации, и подана заявка на патентРФ, прошедшая стадию формальной экспертизы.Апробация работыРезультаты работы докладывались на- симпозиуме ”Nanoscale Phenomena - Fundamentals and Applications”,Кишинев, Молдова, 2007;- симпозиуме ”Physics of Nanoscale Superconducting Heterostructures”,Лейден, Нидерланды, 2007;- международной конференции ”Micro- and nanoelectronics - 2007” (ICMNE2007), Звенигород, 2007;- 11-ом международном симпозиуме ”Нанофизика и наноэлектроника”,Нижний Новгород, 2008;-международномсимпозиуме”Moscowinternationalsymposiumofmagnetism”, Москва, 2008;- 25-ой международной конференции ”Low temperature physics”, Амстердам,7Нидерланды, 2008.Результаты диссертации отражены в 10 публикациях, в том числе в трехстатьях в научных реферируемых журналах [A1]-[A3], рекомендованных ВАК,а также в 6 тезисах докладов конференций [A5]-[A10].
По результатам работыполучен патент РФ [A4].Структура и объем работыДиссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и спискалитературы. Объем диссертации - 86 стр., включая 28 рисунков. Списоклитературы состоит из 90 наименований.Содержание работыВо введении дан краткий обзор теоретических и экспериментальных работ,относящихся к теме диссертации, обоснована ее актуальность, сформулированыцели и задачи работы, перечислены основные результаты, представляемые назащиту, дано краткое описание содержания глав диссертации.Вглаве1представляющийрассматриваютсясобойдваS-FN-Sмассивныхджозефсоновскиесверхпроводящихпереходы,электрода,соединенных между собой двухслойной NF структурой. Предполагается, чтосверхток задается в направлении, параллельном FN-границам композитнойобласти слабой связи.В разделе 1.1 развит подход к описанию исследуемого S-FN-S переходаврамкахквазиклассическихуравненийУзаделявпределетонкихферромагнитного и нормального слоев.
Предположение малой толщиныслоев позволило существенно упростить задачу и найти аналитическиевыражения для функций Грина, через которые далее было полученовыражение для критического тока исследуемой структуры. Критическийток удалось представить в виде суммы двух слагаемых, каждое из которыхсоответствовало одному из собственных волновых чисел системы.В разделе 1.2 анализируются волновые числа и критический ток перехода,полученные в разделе 1.1 для ряда предельных случаев. Показывается,что в пределе большого сопротивления FN границы пленки практически8независимы и сверхток протекает по двум каналам.
В ферромагнитнойпленке происходит незначительное увеличение масштаба затухания и периодаосцилляций критического тока, а в нормальной появляются осцилляции, но спериодом гораздо большим ξN . В пределе малого сопротивления FN границырассматриваются два случая: случай сильной ферромагнитной и сильнойнормальной пленки. В первом случае структура аналогична SFS переходу, икритический ток убывает очень резко, а во втором случае один из волновыхвекторов при соответствующем подборе параметров перехода может даватьосцилляции критического тока с периодом и масштабом затухания порядкаξN . Таким образом, в главе 1 доказано, что как масштаб затухания, так ипериод осцилляций критического тока могут быть существенно увеличены вS-FN-S переходе по сравнению с теми же параметрами для SFS перехода, таккак использование FN структуры в качестве материала слабой связи позволяетуменьшить эффективную обменную энергию ферромагнитной пленки.В главе2 рассмотрен джозефсоновский переход, представляющийсобой два массивных сверхпроводящих электрода, соединенных междусобой трехслойной FNF структурой.
Сверхток задается в направлении,параллельном FN-границам композитной области слабой связи. В даннойглаве исследуется возможность управления критическим током в такихджозефсоновских переходах. Направление намагниченности одного из F-слоевможет быть запининговано использованием антиферромагнитной подложки.Предполагается, что вектор намагниченности другого F слоя может изменятьсякак по величине, так и по знаку, оставаясь коллинеарным первому.Вразделе2.1развитподходкописаниюисследуемогоS-FNF-Sперехода в рамках квазиклассических уравнений Узаделя в пределе тонкихферромагнитного и нормального слоев, а также предполагается выполнениедругих условий, заданных в главе 1.
В предположении малой толщины слоевнайдены аналитические выражения для функций Грина, через которые далеебыло получено выражение для критического тока исследуемой структуры.Критический ток был представлен в виде суммы трех слагаемых, каждое изкоторых соответствовало одному из собственных волновых чисел системы.9В разделе 2.2 анализируются волновые числа и критический токперехода для различных предельных случаев. Показано, что при равенственамагниченностей как по знаку, так и по абсолютной величине структурааналогична рассмотренной в главе 1.
В пределе большого сопротивленияFN границ практически нет влияния пленок друг на друга. В пределесильной нормальной пленки два волновых числа практически соответствуютпарциальным волновым числам ферромагнитных пленок, в то время кактретье волновое число может описывать осцилляции критического токас периодом и масштабом затухания порядка ξN . Показано, что пристрого антипараллельной ориентации намагниченностей происходит усреднениеобменной энергии таким образом, что осцилляции критического токаотсутствуют.
Также они отсутствуют при значении обменной энергии одного изферромагнитных слоев обратно пропорциональном значению обменной энергиидругой F пленки и квадрату сопротивления FN границы. Установлено, чтокритический ток при равных по абсолютной величине и противоположныхпо направлению намагниченностях всегда положителен. Поэтому припереключении намагниченностей из параллельной в антипараллельнуюконфигурацию возможен как переход из 0 в 0 состояние, так и переходиз 0 в π состояние в зависимости от расстояния между сверхпроводящимиэлектродами. При этом также возможно существенное изменение величиныкритического тока.
Также установлено, что максимальная абсолютнаявеличина критического тока достигается при неравных по абсолютномузначению намагниченностях как для 0 состояния, так и для π состояния.Таким образом, в главе 2 доказано, что в S-FNF-S переходе возможноэффективное управление как величиной, так и знаком критического тока, приэтом, сохраняются преимущества S-FN-S, рассмотренные в главе 1.Вглаве3рассмотренS-FNF-Sджозефсоновскийпереходснеколлинеарными векторами намагниченностей F слоев в пределе малойтолщиныпленоквобластислабойсвязи.Исследуетсявозможностьосуществления управления критическим током при развороте векторовнамагниченностей F слоев на некоторый угол. При угле разориентации10векторов намагниченностей α6=0, π помимо четных по импульсу имацубаровской частоте синглетной и триплептной компонент ∼ hψ↑ ψ↓ i + hψ↓ ψ↑ iи ∼ hψ↑ ψ↓ i − hψ↓ ψ↑ i возникает также и четная по импульсу и нечетная помацубаровской частоте триплетная компонента ∼ hψ↑ ψ↑ i ∼ hψ↓ ψ↓ i , котораятакже дает вклад в критический ток перехода.
В главе 3 показывается, какучет таких корреляций влияет на критический ток структуры.В разделе 3.1 развит подход к описанию исследуемого S-FNF-S переходав рамках квазиклассических уравнений Узаделя в матричном виде впределе тонких ферромагнитного и нормального слоев. Показывается, какимобразом могут быть получены компоненты матричных функций Грина дляферромагнитных и нормального слоев при учете нечетной по мацубаровскойчастоте триплетной компоненты сверхпроводящих корреляций.В разделе 3.2 показывается, что в пределе сильной нормальной пленкивыражения для функций Грина, полученные в разделе 3.1, существенноупрощаются. Как следует из рассмотрения, проведенного в главах 1 и 2,именно такое приближение приводит к практически интересным результатамдля зависимостей критического тока от параметров исследуемых структур.В этом пределе получены аналитические выражения для критического токаперехода и для волновых чисел структуры.В разделе 3.3 проведен анализ волновых чисел для предельного случая,отвечающего приближению сильной нормальной пленки.
Показано, что учетнечетной по мацубаровской частоте триплетной компоненты приводит кзаметному изменению поведения волнового числа в зависимости от угларазориентации векторов намагниченностей. Появление второго волновогочисла, слабо зависящего от обменной энергии и имеющего меньшее значениедействительной части в некоторой области углов, явно свидетельствует оего связи с триплетной компонентой. Также, период осцилляций обращаетсяв бесконечность не строго при антипараллельной ориентации векторовнамагниченностей, а при некотором угле.В разделе 3.4 для того же предельного случая проведен анализкритического тока структуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
