ЭФФЕКТЫ БЛИЗОСТИ В ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ NFS
|
Введение 3
Глава 1. Магнетизм и сверхпроводимость в гетероструктурах ферромагнетик/сверхпроводник 7
1.1 Гетероструктуры нормальный металл/сверхпроводник 7
1.2 Гетероструктуры ферромагнетик/сверхпроводник 13
Глава 2. Эффекты близости в гетероструктурах нормальный металл/ферромагнетик/сверхпроводник 16
2.1 Уравнения Узаделя для гетероструктуры NFS 16
2.2 Зависимость критической температуры от толщин слоев нормального
металла и ферромагнетика 21
Заключение 24
Список литературы
Глава 1. Магнетизм и сверхпроводимость в гетероструктурах ферромагнетик/сверхпроводник 7
1.1 Гетероструктуры нормальный металл/сверхпроводник 7
1.2 Гетероструктуры ферромагнетик/сверхпроводник 13
Глава 2. Эффекты близости в гетероструктурах нормальный металл/ферромагнетик/сверхпроводник 16
2.1 Уравнения Узаделя для гетероструктуры NFS 16
2.2 Зависимость критической температуры от толщин слоев нормального
металла и ферромагнетика 21
Заключение 24
Список литературы
В современной физике сверхпроводимость является одним из наиболее изучаемых явлений. Эффект потери сопротивления металлом при низких температурах, открытый Камерлинг-Оннесом в 1911 году, получил микроскопическое объяснение лишь в конце 1950-х годов в теории Бардина, Купера и Шриффера (БКШ). Исследования показали, что отсутствие сопротивления электрическому току есть лишь одно из широкого круга явлений, связанных со сверхпроводимостью. В частности, результатом глубокого понимания природы сверхпроводящего состояния явилось открытие эффекта Джозефсона, который заключается в возможности протекания в отсутствие напряжения без диссипативного тока в контакте между двумя сверхпроводниками через так называемую слабую связь (в простейшем случае - область, сделанную из не сверхпроводящего вещества). Помимо научной красоты изучаемых явлений, связанных со сверхпроводимостью, интерес к ним обусловлен также многочисленными практическими применениями.
В последние годы в связи с совершенствованием экспериментальной технологии стало возможным изучение сверхпроводимости на очень малых масштабах (которые в то же время больше межатомных), эту область исследований можно назвать сверхпроводящей мезоскопикой [1-6]. Многие эффекты в этой области связаны с явлением, теоретически предсказанным в работах А.Ф.Андреева (1964). Оказалось, что на границе раздела сверхпроводника и нормального металла имеет место необычное отражение квазичастиц, так называемое андреевское отражение на границе, при котором электрон, падающий из нормального металла, отражается в виде дырки, летящей ровно назад.
С системами, в которых осуществляется контакт между сверхпроводником и нормальным металлом, связана совокупность явлений, называемая эффектом близости [7-10] (иными словами, это эффекты 3
взаимовлияния двух веществ). Характерный пространственный масштаб эффекта близости имеет порядок сверхпроводящей длины когерентности (ориентировочно - от десятков нанометров до микронов, в зависимости от системы). Именно на такую глубину сверхпроводимость «проникает» в нормальный слой, т.е. нормальный металл вблизи границы приобретает сверхпроводящие свойства. Исследование N/S систем (N - нормальный металл, S - сверхпроводник) было начато еще около пятидесяти лет назад [8, 9], однако технология, позволяющая получать и исследовать экспериментальные образцы мезоскопических размеров, была создана сравнительно недавно.
С практической точки зрения такие гибридные контакты дают возможность «тонкой подстройки» сверхпроводящих свойств образца (таких, например, как энергетическая щель в спектре одночастичных возбуждений или критическая температура сверхпроводящего перехода) с помощью относительно легко контролируемых экспериментальных параметров, таких как толщины слоёв и свойства границ между ними. Возможность такого контроля интересна как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения (гибридные контакты могут найти применение в нано- и микроэлектронике).
Еще богаче физика эффекта близости в F/S системах [5] (F - ферромагнетик). Если в N/S системах сверхпроводимость, грубо говоря, становится «разбавленной» за счёт N слоя, то в F/S системах могут возникать особенности, не существующие в S и F слоях по отдельности. То есть комбинация различных материалов может приводить к качественно новым мезоскопическим эффектам, возникающим вблизи границы.
Сверхпроводимость и ферромагнетизм - это два различных типа
упорядочения (реализующиеся при достаточно низких температурах).
Сверхпроводимость связана с образованием куперовских пар электронов, в
которых, в простейшем случае, спины электронов противоположны. В
ферромагнитном же состоянии спины электронов смотрят в одну сторону.
Поэтому два этих состояния вещества противоречат [11] друг другу, и
4
объединить их в объёмном веществе очень трудно. Однако в гибридных FS системах «источники» двух различных электронных фаз разделены в пространстве, и два различных состояния встречаются друг с другом лишь возле границы. Результатом этой встречи является образование вблизи границы довольно необычного состояния. Естественно ожидать, что сверхпроводящие свойства, наведённые в несверхпроводящем слое за счёт эффекта близости, будут спадать при удалении от границы. Именно такая ситуация имеет место в N/S системах. В то же время, в F/S системах спадание сопровождается осцилляциями [12-14]. При определённом соотношении толщины F прослойки в джозефсоновском S/F/S контакте и длины волны осцилляций может реализоваться так называемый пи-контакт, в котором критический джозефсоновский ток формально отрицателен. Такой контакт был экспериментально получен в 2001 году в ИФТТ РАН (Черноголовка) группой В.В. Рязанова.
Кроме того, в F/S контактах вблизи границы возникает необычное сверхпроводящее состояние, так называемая триплетная нечётная по частоте сверхпроводящая компонента. Возможность реализации такого состояния в объёме была когда-то предложена В.Л. Березинским (1974). Однако в объёме такое состояние может оказаться неустойчивым, а вот вблизи границы в F/S контактах оно реализуется без сомнений. Это явление подробно обсуждалось, начиная с 2001 года группой F.S. Bergeret, А.Ф. Волков, К.Б. Ефетов (особенно интересен случай неоднородной намагниченности F слоя). Оказывается, что неоднородная намагниченность ферромагнетика приводит к возникновению триплетных корреляций [15, 16] с одинаково направленными спинами электронов в куперовской паре путем «конвертации» из обычных синглетных куперовских пар (т.е. пар с противоположными спинами). Такие триплетные куперовские пары могут проникать в F слой гораздо глубже, чем обычные синглетные, и с этим связан ряд интересных и необычных явлений.
Такое внимание к структурам подобного рода обусловлено тем, что F/S системы являются основным структурным элементом сверхпроводящих спиновых клапанов - перспективных конструкций сверхпроводящей спинтроники. Роль прослойки нормального металла находит различные проявления, как разделитель для ферромагнитных слоев [17-23](в F/N/F/S контактах), так и для разбавления сверхпроводимости в структуре на N/S контактах.
Рассматривая трехслойные структуры, можно выделить различные эффекты и немонотонные зависимости, как например, в системе F/N/F/S с двумя ферромагнетиками критическая температура сверхпроводящего перехода Tc зависит от угла между намагниченностями F слоёв [24], причём немонотонным образом. Минимум вблизи ортогональной ориентации связан с генерацией в системе триплетных сверхпроводящих корреляций. Выбирая рабочую температуру такого устройства между экстремумами Tc , можно «включать» и «выключать» сверхпроводимость в системе, вращая намагниченность одного из F слоёв слабым внешним магнитным полем [25]. Это означает возможность реализации так называемого триплетного спинового клапана.
В связи с этим целью данной работы являлось исследование проявления эффектов близости в гетероструктурах N/F/S, являющихся составной частью F/N/F/S контактов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Получение уравнений Узаделя для гетероструктуры NFS.
2. Численное решение уравнений (на основе метода функций Грина) с параметрами, соответствующими гетероструктуре Cu/CuNi/Nb.
3. Представление результатов в виде графиков зависимости критической температуры Tc от толщины dN слоя нормального металла при различных значениях толщины dF ферромагнитного слоя и параметров подавления у.
В последние годы в связи с совершенствованием экспериментальной технологии стало возможным изучение сверхпроводимости на очень малых масштабах (которые в то же время больше межатомных), эту область исследований можно назвать сверхпроводящей мезоскопикой [1-6]. Многие эффекты в этой области связаны с явлением, теоретически предсказанным в работах А.Ф.Андреева (1964). Оказалось, что на границе раздела сверхпроводника и нормального металла имеет место необычное отражение квазичастиц, так называемое андреевское отражение на границе, при котором электрон, падающий из нормального металла, отражается в виде дырки, летящей ровно назад.
С системами, в которых осуществляется контакт между сверхпроводником и нормальным металлом, связана совокупность явлений, называемая эффектом близости [7-10] (иными словами, это эффекты 3
взаимовлияния двух веществ). Характерный пространственный масштаб эффекта близости имеет порядок сверхпроводящей длины когерентности (ориентировочно - от десятков нанометров до микронов, в зависимости от системы). Именно на такую глубину сверхпроводимость «проникает» в нормальный слой, т.е. нормальный металл вблизи границы приобретает сверхпроводящие свойства. Исследование N/S систем (N - нормальный металл, S - сверхпроводник) было начато еще около пятидесяти лет назад [8, 9], однако технология, позволяющая получать и исследовать экспериментальные образцы мезоскопических размеров, была создана сравнительно недавно.
С практической точки зрения такие гибридные контакты дают возможность «тонкой подстройки» сверхпроводящих свойств образца (таких, например, как энергетическая щель в спектре одночастичных возбуждений или критическая температура сверхпроводящего перехода) с помощью относительно легко контролируемых экспериментальных параметров, таких как толщины слоёв и свойства границ между ними. Возможность такого контроля интересна как с фундаментальной, так и с прикладной точки зрения (гибридные контакты могут найти применение в нано- и микроэлектронике).
Еще богаче физика эффекта близости в F/S системах [5] (F - ферромагнетик). Если в N/S системах сверхпроводимость, грубо говоря, становится «разбавленной» за счёт N слоя, то в F/S системах могут возникать особенности, не существующие в S и F слоях по отдельности. То есть комбинация различных материалов может приводить к качественно новым мезоскопическим эффектам, возникающим вблизи границы.
Сверхпроводимость и ферромагнетизм - это два различных типа
упорядочения (реализующиеся при достаточно низких температурах).
Сверхпроводимость связана с образованием куперовских пар электронов, в
которых, в простейшем случае, спины электронов противоположны. В
ферромагнитном же состоянии спины электронов смотрят в одну сторону.
Поэтому два этих состояния вещества противоречат [11] друг другу, и
4
объединить их в объёмном веществе очень трудно. Однако в гибридных FS системах «источники» двух различных электронных фаз разделены в пространстве, и два различных состояния встречаются друг с другом лишь возле границы. Результатом этой встречи является образование вблизи границы довольно необычного состояния. Естественно ожидать, что сверхпроводящие свойства, наведённые в несверхпроводящем слое за счёт эффекта близости, будут спадать при удалении от границы. Именно такая ситуация имеет место в N/S системах. В то же время, в F/S системах спадание сопровождается осцилляциями [12-14]. При определённом соотношении толщины F прослойки в джозефсоновском S/F/S контакте и длины волны осцилляций может реализоваться так называемый пи-контакт, в котором критический джозефсоновский ток формально отрицателен. Такой контакт был экспериментально получен в 2001 году в ИФТТ РАН (Черноголовка) группой В.В. Рязанова.
Кроме того, в F/S контактах вблизи границы возникает необычное сверхпроводящее состояние, так называемая триплетная нечётная по частоте сверхпроводящая компонента. Возможность реализации такого состояния в объёме была когда-то предложена В.Л. Березинским (1974). Однако в объёме такое состояние может оказаться неустойчивым, а вот вблизи границы в F/S контактах оно реализуется без сомнений. Это явление подробно обсуждалось, начиная с 2001 года группой F.S. Bergeret, А.Ф. Волков, К.Б. Ефетов (особенно интересен случай неоднородной намагниченности F слоя). Оказывается, что неоднородная намагниченность ферромагнетика приводит к возникновению триплетных корреляций [15, 16] с одинаково направленными спинами электронов в куперовской паре путем «конвертации» из обычных синглетных куперовских пар (т.е. пар с противоположными спинами). Такие триплетные куперовские пары могут проникать в F слой гораздо глубже, чем обычные синглетные, и с этим связан ряд интересных и необычных явлений.
Такое внимание к структурам подобного рода обусловлено тем, что F/S системы являются основным структурным элементом сверхпроводящих спиновых клапанов - перспективных конструкций сверхпроводящей спинтроники. Роль прослойки нормального металла находит различные проявления, как разделитель для ферромагнитных слоев [17-23](в F/N/F/S контактах), так и для разбавления сверхпроводимости в структуре на N/S контактах.
Рассматривая трехслойные структуры, можно выделить различные эффекты и немонотонные зависимости, как например, в системе F/N/F/S с двумя ферромагнетиками критическая температура сверхпроводящего перехода Tc зависит от угла между намагниченностями F слоёв [24], причём немонотонным образом. Минимум вблизи ортогональной ориентации связан с генерацией в системе триплетных сверхпроводящих корреляций. Выбирая рабочую температуру такого устройства между экстремумами Tc , можно «включать» и «выключать» сверхпроводимость в системе, вращая намагниченность одного из F слоёв слабым внешним магнитным полем [25]. Это означает возможность реализации так называемого триплетного спинового клапана.
В связи с этим целью данной работы являлось исследование проявления эффектов близости в гетероструктурах N/F/S, являющихся составной частью F/N/F/S контактов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Получение уравнений Узаделя для гетероструктуры NFS.
2. Численное решение уравнений (на основе метода функций Грина) с параметрами, соответствующими гетероструктуре Cu/CuNi/Nb.
3. Представление результатов в виде графиков зависимости критической температуры Tc от толщины dN слоя нормального металла при различных значениях толщины dF ферромагнитного слоя и параметров подавления у.
В данной работе проведено теоретическое исследование эффектов близости в гетероструктурах NFS.
Результаты:
1. Получены уравнения Узаделя для гетероструктуры NFS.
2. На основе метода функций Грина численно решены уравнения с параметрами, соответствующими гетероструктуре Cu/CuNi/Nb.
3. Полученные данные представлены в виде графиков зависимости критической температуры Tc от толщины dN слоя нормального металла при различных значениях толщины dF ферромагнитного слоя и параметров подавления у.
Выводы:
1. Полученные зависимости объясняются изменениями условий интерференции для корреляций.
2. Эта интерференция зависит как от толщин F и N слоев, так и от прозрачности границ.
Результаты:
1. Получены уравнения Узаделя для гетероструктуры NFS.
2. На основе метода функций Грина численно решены уравнения с параметрами, соответствующими гетероструктуре Cu/CuNi/Nb.
3. Полученные данные представлены в виде графиков зависимости критической температуры Tc от толщины dN слоя нормального металла при различных значениях толщины dF ферромагнитного слоя и параметров подавления у.
Выводы:
1. Полученные зависимости объясняются изменениями условий интерференции для корреляций.
2. Эта интерференция зависит как от толщин F и N слоев, так и от прозрачности границ.