ВЫЧИСЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПЕРЕХОДА В ЧЕТЫРЁХСЛОЙНОЙ СИСТЕМЕ ФЕРРОМАГНЕТИК-СВЕРХПРОВОДНИК
|
Введение
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ФЕРРОМАГНЕТИЗМА 4
1.1 Конкуренция сверхпроводимости и ферромагнетизма 5
1.2 Эффект близости 7
1.3 Джозефсоновские контакты 10
1.4 Сверхпроводящие спиновые переключатели 11
ГЛАВА 2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СИСТЕМЫ F1S1F2S2 13
2.1 Существующие методы получения уравнения на критическую
температуру слоистых F/S - систем 13
2.2 Вывод уравнения на критическую температуру системы F1S1F2S2 18
2.3 Применение уравнения на критическую температуру для поиска
условий возникновения управляемого 0-л контакта 22
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СИСТЕМЫ F1S1F2S2 24
3.1 Зависимость критической температуры системы F1S1F2S2 от
толщин её слоёв 24
3.2 Переход между состояниями с разностями фаз 0 ил значений
параметра порядка в сверхпроводящих металлах 28
Заключение 31
Список литературы 33
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ФЕРРОМАГНЕТИЗМА 4
1.1 Конкуренция сверхпроводимости и ферромагнетизма 5
1.2 Эффект близости 7
1.3 Джозефсоновские контакты 10
1.4 Сверхпроводящие спиновые переключатели 11
ГЛАВА 2. МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СИСТЕМЫ F1S1F2S2 13
2.1 Существующие методы получения уравнения на критическую
температуру слоистых F/S - систем 13
2.2 Вывод уравнения на критическую температуру системы F1S1F2S2 18
2.3 Применение уравнения на критическую температуру для поиска
условий возникновения управляемого 0-л контакта 22
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СИСТЕМЫ F1S1F2S2 24
3.1 Зависимость критической температуры системы F1S1F2S2 от
толщин её слоёв 24
3.2 Переход между состояниями с разностями фаз 0 ил значений
параметра порядка в сверхпроводящих металлах 28
Заключение 31
Список литературы 33
Структуры ферромагнетик-сверхпроводник - FS-структуры - представляют собой искусственно приготовленные системы чередующихся слоев ферромагнитного (F) и сверхпроводящего (S) металлов. Исследование таких структур представляет интерес, так как в них возможно сосуществование конкурирующих явлений сверхпроводимости и ферромагнетизма, труднодостижимое в однородных системах. При контакте металлов вышеупомянутых типов возникает эффект близости - частичная передача сверхпроводящих свойств ферромагнитному металлу [1], в результате чего слоистая структура может в целом стать сверхпроводящей, при этом температура ее перехода в сверхпроводящее состояние из-за подавления сверхпроводимости ферромагнетизмом будет ниже, чем критическая температура отдельно взятого сверхпроводника. Для достижения сверхпроводимости системы важно, чтобы слои ферромагентика были достаточно тонкими, в большинстве случаев меньше длины когерентности сверхпроводника.
Наличие сверхпроводимости в системе отражается в появлении сверхпроводящего параметра порядка. В общем случае эта величина является комплексной, поэтому выделяют модуль и фазу параметра порядка. При особом расположении слоев, а именно, когда два сверхпроводящих слоя разделены тонким слоем ферромагнитного металла, FS-система может обладать свойствами джозефсоновского контакта. В системах такого типа имеет смысл разность фаз параметра порядка в сверхпроводящих металлах, в связи с чем возникают понятия 0-контакта и л-контакта, соответственно разности фаз 0 и л [2]. Систему, в которой можно осуществить контролируемый переход между состояниями с разностями фаз 0 и л, называют управляемым джозефсоновским 0-л контактом. Возможность перехода от 0-контакта к л-контакту в системах типа SFS посредством изменения температуры была теоретически и экспериментально подтверждена в работах [3,4]. Изучаемая в нашей работе система позволяет осуществить такой переход посредством перемагничивания ферромагнитного слоя.
В данной работе исследуется система F1S1F2S2, состоящая из чередующихся между собой двух ферромагнитных и двух сверхпроводящих слоёв. Наличие двух сверхпроводящих слоёв наделяет систему свойствами джозеффсоновского контакта, а наличие двух ферромагнитных слоев предоставляет возможность управления джозефсоновским контактом, что имеет важное значение в сверхпровдящей электронике. Управляемые 0-л контакты могут иметь применение в криогенной памяти и стать неотъемлемой частью сверхмощных сверхпроводниковых компьютеров, которые намного энергоэффективнее современных полупроводниковых суперкомпьютеров.
Цель данной работы заключается в исследовании зависимости критической температуры системы F1S1F2S2 от её параметров и теоретическом описании возможных реализаций управляемых джозефсоновских контактов. Управление происходит посредством изменения взаимной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоёв. Подобный способ управления джосефсоновским контактом уже был экспериментально осуществлен в системе SF1NF2S в работе [5]. Преимущество нашей системы заключается в удобном расположении внешнего слоя F1s намагниченность которого можно зафиксировать, например, путем пиннинга в контакте с магнитным диэлектриком (см. приложение 1). Это упрощает процедуру изменения взаимной ориентации намагниченностей слоёв, так как в таком случае достаточно просто подействовать на систему магнитным полем с нужным направлением.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: выбор подходящего теоретического приближения; вывод уравнения на критическую температуру системы; исследование зависимости критической температуры системы от толщин слоёв системы при коллинеарных и антиколлинеарных направлениях намагниченнностей ферромагнитных слоёв; обнаружение условий, при которых возможен переход между состояниями с разностями фаз параметра порядка в сверхпроводящих металлах 0 и п посредством изменения взаимной ориентации намагниченностей.
Наличие сверхпроводимости в системе отражается в появлении сверхпроводящего параметра порядка. В общем случае эта величина является комплексной, поэтому выделяют модуль и фазу параметра порядка. При особом расположении слоев, а именно, когда два сверхпроводящих слоя разделены тонким слоем ферромагнитного металла, FS-система может обладать свойствами джозефсоновского контакта. В системах такого типа имеет смысл разность фаз параметра порядка в сверхпроводящих металлах, в связи с чем возникают понятия 0-контакта и л-контакта, соответственно разности фаз 0 и л [2]. Систему, в которой можно осуществить контролируемый переход между состояниями с разностями фаз 0 и л, называют управляемым джозефсоновским 0-л контактом. Возможность перехода от 0-контакта к л-контакту в системах типа SFS посредством изменения температуры была теоретически и экспериментально подтверждена в работах [3,4]. Изучаемая в нашей работе система позволяет осуществить такой переход посредством перемагничивания ферромагнитного слоя.
В данной работе исследуется система F1S1F2S2, состоящая из чередующихся между собой двух ферромагнитных и двух сверхпроводящих слоёв. Наличие двух сверхпроводящих слоёв наделяет систему свойствами джозеффсоновского контакта, а наличие двух ферромагнитных слоев предоставляет возможность управления джозефсоновским контактом, что имеет важное значение в сверхпровдящей электронике. Управляемые 0-л контакты могут иметь применение в криогенной памяти и стать неотъемлемой частью сверхмощных сверхпроводниковых компьютеров, которые намного энергоэффективнее современных полупроводниковых суперкомпьютеров.
Цель данной работы заключается в исследовании зависимости критической температуры системы F1S1F2S2 от её параметров и теоретическом описании возможных реализаций управляемых джозефсоновских контактов. Управление происходит посредством изменения взаимной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоёв. Подобный способ управления джосефсоновским контактом уже был экспериментально осуществлен в системе SF1NF2S в работе [5]. Преимущество нашей системы заключается в удобном расположении внешнего слоя F1s намагниченность которого можно зафиксировать, например, путем пиннинга в контакте с магнитным диэлектриком (см. приложение 1). Это упрощает процедуру изменения взаимной ориентации намагниченностей слоёв, так как в таком случае достаточно просто подействовать на систему магнитным полем с нужным направлением.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: выбор подходящего теоретического приближения; вывод уравнения на критическую температуру системы; исследование зависимости критической температуры системы от толщин слоёв системы при коллинеарных и антиколлинеарных направлениях намагниченнностей ферромагнитных слоёв; обнаружение условий, при которых возможен переход между состояниями с разностями фаз параметра порядка в сверхпроводящих металлах 0 и п посредством изменения взаимной ориентации намагниченностей.
В ходе выполнения работы были решены все поставленные задачи. С использованием приближения, в рамках которого сверхпроводящий параметр порядка полагается постоянным в пределах соответствующего слоя, было получено уравнение на критическую температуру системы F1S1F2S2, с помощью которого проведено исследование зависимости критической температуры системы от толщин её слоёв при параллельной и антипараллельной ориентации намагниченностей ферромагнитных слоёв. В результате исследований теоретически подтверждена немонотонность поведения критической температуры в зависимости от толщин ферромагнитных слоёв, подтверждены возможности наблюдения эффекта спинового клапана и смены разности фаз значений параметра порядка в системе. Также подтверждено, что антипараллельная ориентация намагниченностей более выгодна для системы и соответствует более высокой критической температуре системы. Все полученные результаты согласуются с результатами, полученными ранее в различных работах, посвященных FS-структурам.
При определенных значениях толщин слоёв Fi, Si, S2 теоретически рассчитан диапазон толщин слоя F2, при которых система находится в состоянии 0-контакта (с разностью фаз параметра порядка в сверхпроводящих слоях Аф = 0) в случае антипараллельной ориентации намагниченностей слоёв F1 и F2 и в состоянии л-контакта в случае параллельной ориентации намагниченностей. Согласно расчетам значение толщины слоя F2 при данных значениях остальных слоёв может варьироваться от 1.08а/ до 1.44a/. Значения приводятся в единицах спиновой жесткости для универсальности - абсолютные значения толщин сильно зависят от материала.
Четырехслойные системы типа F1S1F2S2, благодаря своим многочисленным свойствам и возможности осуществления на их основе управляемого 0-л контакта, имеют перспективы применения в сверхпроводящей спиновой электронике. Такие системы могут играть роль элементов памяти и управления. Они обладают рядом преимуществ, среди которых маленький размер (линейный размер ~10-9м), большая скорость переключения и энергоэффективность. Преимущества влекут за собой ряд возникающих при реализации подобных систем проблем, таких как достижение тонкослойности системы и обеспечение низкотемпературных условий, необходимых для её работы. К счастью, современные технологии позволяют создавать всё более тонкослойные системы и на данный момент позволяют реализовать управляемые 0-л контакты в системах типа F1S1F2S2. Чтобы повысить рабочую температуру, можно создать подобную систему на основе высокотемпературных сверхпроводников, однако, количественное описание в этом случае требует существенных модификаций теории.
При определенных значениях толщин слоёв Fi, Si, S2 теоретически рассчитан диапазон толщин слоя F2, при которых система находится в состоянии 0-контакта (с разностью фаз параметра порядка в сверхпроводящих слоях Аф = 0) в случае антипараллельной ориентации намагниченностей слоёв F1 и F2 и в состоянии л-контакта в случае параллельной ориентации намагниченностей. Согласно расчетам значение толщины слоя F2 при данных значениях остальных слоёв может варьироваться от 1.08а/ до 1.44a/. Значения приводятся в единицах спиновой жесткости для универсальности - абсолютные значения толщин сильно зависят от материала.
Четырехслойные системы типа F1S1F2S2, благодаря своим многочисленным свойствам и возможности осуществления на их основе управляемого 0-л контакта, имеют перспективы применения в сверхпроводящей спиновой электронике. Такие системы могут играть роль элементов памяти и управления. Они обладают рядом преимуществ, среди которых маленький размер (линейный размер ~10-9м), большая скорость переключения и энергоэффективность. Преимущества влекут за собой ряд возникающих при реализации подобных систем проблем, таких как достижение тонкослойности системы и обеспечение низкотемпературных условий, необходимых для её работы. К счастью, современные технологии позволяют создавать всё более тонкослойные системы и на данный момент позволяют реализовать управляемые 0-л контакты в системах типа F1S1F2S2. Чтобы повысить рабочую температуру, можно создать подобную систему на основе высокотемпературных сверхпроводников, однако, количественное описание в этом случае требует существенных модификаций теории.