Сверхпроводники (Доклад)

ДОКЛАД

ПО ФИЗИКЕ

НА ТЕМУ:

«СВЕРХПРОВОДНИКИ»

Выполнил ученик 10«А» класса

Школы№528 ЦАО города МОСКВЫ

Саная А. Г.

МОСКВА 14.03.1999 год

Сверхтонкие YBCO пленки с Т_с выше 77К

Сверхтонкие (< 10нм) ВТСП пленки представляют интерес как для физических исследований, так и для практического использования, в частности в СВЧ-электронике: джозефсоновские переходы, полевые приборы, нелинейные элементы микроволновых схем, инфракрасные детекторы и т.п.

Однако критическая температура Т_с пленок YBCO резко снижается при уменьшении толщины ниже 10нм. Ответственность за это несут как фундаментальные механизмы (переход Костерлитца - Таулесса, передача заряда подвижных носителей через интерфейс), так и чисто технологические причины – рассогласование параметров решетки подложки и растущей пленки. Стандартный прием улучшения сверхпроводящих свойств сверхтонких пленок – использование буферного слоя между подложкой и пленкой; при этом материал буферного слоя должен иметь неметаллические свойства и максимально близкие к YBCO параметры решетки. Лучшим буферным материалом для YBCO оказался PrBa₂Cu₃O₇ (PBCO); его использование существенно повысило значение Т_с, но важный рубеж в 77К так и не был перейден.

Для улучшения сверхпроводящих свойств сверхтонких YBCO пленок в отделе член-корр. РАН Игоря Всеволодовича Грехова (ФТИ им. Иоффе РАН) предложили принципиально новую структуру буферного слоя – композитный диэлектрик, состоящий из кристаллитов изолятора YBa₂NbO₆ (YBNO) и сверхпроводника (YBCO). Такой слой можно приготовить методом лазерного распыления мишени, синтезированной из окислов Y, Ba, Cu, Nb. Пленка буферного слоя с типичной толщиной ~ 30нм формируется на подложке SrTiO₃. Дифракционные рентгеновские спектры показывают, что буферная пленка состоит из смеси фаз YBCO (с пониженным содержанием кислорода) и YBNO, имеющей кубическую структуру в постоянной решетки a=0.84нм. Характерный размер гранул - 100-500нм.

Исследования ранних стадий роста пленок с помощью атомно-силового микроскопа показали, что фаза YBCO в буферном слое демонстрирует 3-D островковый рост, а фаза YBNO формирует ровное плато. Обе фазы сосуществуют бок о бок, и вблизи границы раздела фаз на диэлектрическом плато YBNO всегда присутствует некоторое количество 2-D зародышей YBCO, которые могут являться центрами зародышеобразования нового молекулярного слоя YBCO при осаждении YBCO на YBaCuNbO буферный слой.

Сверхтонкие пленки YBCO, осажденные непосредственно на подложку SrTiO₃, формируются путем двумерного зародышеобразования с последующим ростом в плоскости a-b. В то же время как механизмом роста сверхтонких пленок YBCO на YBaCuNbO буферном слое является локальное распространение ступеней. В результате сверхтонкие пленки YBCO, осажденные на SrTiO₃ подложку и на YBaCuNbO буферный слой, имеют разную морфологию поверхности. Авторы считают, что именно механизм роста путем локального распространения ступеней позволяет улучшить совершенство кристаллической структуры сверхтонкой YBCO и увеличить критическую температуру.

Применение принципиально нового буферного слоя позволило поднять Т_с с 68К до 80К (в пленке толщиной в 3 ячейки) и до 86К (в пленке толщиной в 4 ячейки). Это пока лучший в мире результат для пленок YBCO такой толщины.

Библиография

Physica C, 1997, 276, с.18

Proc.MRS 1998 Fall Meeting, Boston, USA

Контакты сверхпроводника с ферромагнетиком

Исследование процессов на границе сверхпроводника с ферромагнитным металлом привело к необычным результатам: немонотонная зависимость сверхпроводящей критической температуры многослойных структур ферромагнетик (F) - сверхпроводник (S), нетривиальное поведение магнитосопротивления SFS структур и подавление сверхпроводящих свойств в результате спин-поляризованной инжекции.

В конце 1998 - начале 1999 года появился ряд новых интригующих публикаций. Так, в работе экспериментально исследовались тонкопленочные наноструктуры, образованные кобальтом или никелем со свинцом. Основная идея заключается в том, что андреевское отражение на FS границе очень чувствительно к поляризации электронов проводимости в ферромагнетике. Действительно, согласно стонеровской зонной модели ферромагнетизм в металлах обусловлен различным заполнением подзон, образуемых электронами с противоположными направлениями спинов. В то же время для прохождения электрона из нормальной обкладки в сверхпроводящую “подлетающий” к NS границе электрон должен захватить с собой другой электрон с противоположным импульсом и спином, чтобы образовать в сверхпроводнике куперовскую пару (на языке андреевского отражения это означает, что электронное состояние рассеивается в дырочное с противоположным спином и импульсом, практически совпадающим с импульсом исходного электрона).

Однако, если “подлетающий” электрон принадлежит, например, к доминирующей подзоне ферромагнетика, то у него могут возникнуть проблемы с поиском партнера, так как плотность электронов на поверхности Ферми для другой подзоны (с противоположным спином) заметно меньше. В результате андреевское рассеяние должно подавляться в ферромагнитных металлах вплоть до полного исчезновения, если мы имеем дело со 100% поляризованной зонной структурой. Именно явление подавления андреевского отражения в NS контактах при замене обычного нормального металла на ферромагнетик и было подтверждено данными авторов. В другой экспериментальной работе изучен собственно эффект близости, т.е. проникновение сверхпроводящих свойств вглубь ферромагнетика. Как известно, в грязном пределе энергетической характеристикой, определяющей эффект близости, является величина, равная h D/L , где D - коэффициент диффузии, а L - размер образца. Верно и обратное утверждение: расстояние, на которое проникает сверхпроводимость, по порядку величины равно O h D/E, здесь E – это характерная энергия, определяющая подавление сверхпроводящего спаривания в нормальном материале. В случае ферромагнетика в качестве E следует взять энергию обменного взаимодействия, которую в свою очередь можно положить равной температуре Кюри. Так вот, выполненная таким образом оценка дала для контакта кобальта со сверхпроводящим алюминием очень заниженные результаты, т.е. реальная длина затухания сверхпроводящих свойств в кобальте оказалась намного больше теоретически предсказанной.

Упомянем еще теоретические расчеты проводимости мезоскопических FS структур, выполненные R. Seviour и C. J. Lambert из Великобритани совместно с А. Ф. Волковым из ИРЭ, а также I. Zutic и O. T. Valls из США. Ими предсказано немонотонное поведение дифференциальной проводимости как функции напряжения при напряжениях, отвечающих зеемановскому расщеплению, в районе нулевых смещений и пр. И, наконец, остановимся на цикле работ T. W. Clinton и M. Johnson из Naval Research Laboratory (Washington), которые предложили управляемый джозефсоновский элемент на основе простой двуслойной геометрии, где тонкая ферромагнитная пленка локально подавляет своим магнитным полем сверхпроводимость в полоске, на которую она нанесена, порождая тем самым слабую связь. Наблюдение ступенек Шапиро подтвердило наличие нестационарного эффекта Джозефсона в данной структуре, которую авторы считают перспективным элементом будущей криоэлектроники.

Библиография

J. Low Temp. Phys., 1986, 63, с.307

J. Phys. Condens. Matter, 1996, 39, с.L563

Phys. Rev. Lett., 1997, 78, с.1134

Phys. Rev. Lett., 1998, 81, с.3247

Phys. Rev. Lett., 1995, 74, с.16570

Phys. Rev. B, 1998, 58, с.R11872

Appl. Phys. Lett., 1997, 70, с.1170

J. Appl. Phys., 1998, 83, с.6777