С момента открытия в 1964 году [1] эффект Джозефсона и сверхпроводящие структуры, в которых он наблюдается, постоянно привлекают к себе большое внимание физиков. Интерес к этой теме обусловлен, прежде всего, разнообразием красивых и нетривиальных эффектов, наблюдаемых в джозефсоновских структурах. Изучение особенностей поведения джозефсоновских переходов позволяет лучше понять природу и механизмы явлений сверхпроводимости и сверхтекучести, которые, хотя и исследуются уже практически на протяжении столетия, продолжают дарить исследователям новые неожиданные открытия. Системы с джозефсонов-скими контактами начинают активно применяться и в сверхпроводящей электронике, которая в некоторых областях уже способна составить достойную конкуренцию своей полупроводниковой предшественнице. На-. пример, джозефсоновские контакты благодаря своим уникальным высокочастотным свойствам могут занять пустующую нишу в частотном диапазоне близком к терагерцу. В этом диапазоне в настоящее время практически отсутствуют искусственные источники и приемники излучения. Заполнение этого частотного «окна» послужит толчком для нового витка развития электроники, в частности, так востребованного сегодня телекоммуникационного оборудования. Уже создан и успешно протестирован лабораторный приемник излучения на частоте 500 гигагерц [2, 3], основанный на принципе гетеродинного смешивания с использованием внутренних джозефсоновских осциллятора и смесителя, способный принимать сигналы очень малой мощности 10~13Вт). Другое активно развиваемое прикладное «джозефсоновское» направление — это, так называемая, RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum Logic), в которой информация передается и хранится в виде флаксонов, квантов магнитного потока в джозефсоновских структурах. В случае успеха такая технология может стать альтернативой современной полупроводниковой компьютерной технике, развитие которой, как ожидается, в ближайшие десятилетия затормозится. Наконец, в последнее время также широко обсуждается проблема создания принципиально нового, квантового, компьютера, который будет производить вычисления путем эволюции двухуровневой квантовой системы. Такие двухуровневые системы называют квантовыми битами или кубитами, по аналогии с битами, которые используются в современной цифровой логике. Именно структуры с джозефсоновски-ми контактами являются одним из основных кандидатов на реализацию базового элемента для таких компьютеров. В частности, один из возможный вариантов сверхпроводящего кубита [4], требует использования 7Г-контакта (джозефсоновского контакта со спонтанной разностью фаз 7 г между сверхпроводящими обкладками), получению которого и посвящена представленная работа.
До последнего времени слабая (джозефсоновская) связь через ферромагнетик не была надежно реализована экспериментально. Основная причина — антагонизм сверхпроводника и ферромагнетика в смысле спинового упорядочения, следствием которого является быстрое затухание наведенной сверхпроводимости в ферромагнетике. Куперовская пара, попавшая в ферромагнетик должна очень быстро разрушиться, т.к. обменное поле старается выстроить параллельно спины электронов, образующих пару. Вместе с тем, джозефсоновские контакты сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник должны проявлять удивительные свойства [5, б, 7], связанные с необычным типом сверхпроводящего спаривания в ферромагнетике, которое впервые было предсказано для ферромагнитных сверхпроводников в 1964 году независимо Ларкиным и Овчинниковым [8] и Фулде и Феррелом [9] (LOFF-состояние).
В ферромагнитном сверхпроводнике (или в ферромагнетике с наведенной сверхпроводимостью вблизи SF-границы) куперовская пара в основном состоянии имеет ненулевой суммарный импульс, что приводит к пространственным осцилляциям сверхпроводящей волновой функции (параметра порядка). В джозефсоновском SFS-переходе вследствие таких осцилляций параметр порядка при определенных условиях может изменить свой знак на противоположный при переходе от одного сверхпроводящего берега к другому, т. е. его фаза изменится в точности на 7 Г. Это и будет джозефсоновский 7г-контакт со спонтанной разностью фаз 7 Г. Если такой контакт замкнуть сверхпроводящим кольцом, то в контуре потечет сверхток, создающий дополнительную разность фаз 7 г (поскольку для однозначности фазы необходимо, чтобы при обходе сверхпроводящего контура полный набег фазы был кратен 2тт). При этом сверхпроводящее кольцо будет нести в себе половину кванта магнитного потока. Именно это свойство джозефсоновских 7г-контактов и делает их чрезвычайно привлекательными при создании квантового бита [4], т.к. их присутствие в сверхпроводящих контурах создает вырождение относительно направления спонтанных токов, возникающих в контуре, что приводит к появлению двухямного потенциала с вырожденными энергетическими уровнями.
Целью данной работы явилось экспериментальное исследование эффекта близости и джозефсоновских свойств в структурах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводниквыявление особенностей поведения джозефсоновских сэндвичей в случае, когда джозефсо-новская прослойка является ферромагнетикомобнаружение перехода в 7г-состояние в одиночных SFS-контактах и треугольных сетках, образованных такими контактами.
Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие результаты, выносимые на защиту:
• Приготовлены и исследованы тонкопленочные сэндвичи типа сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (Nb-Cui-^Nia—Nb).
• Экспериментально подтверждена возможность связи двух сверхпроводников через ферромагнетик (джозефсоновской связи) в структурах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник. Обнаружены сверхтоки в таких структурах и получены классические фраунгофе-ровы зависимости критического тока от внешнего магнитного поля.
• Обнаружена аномальная возвратная температурная зависимость критического тока джозефсоновских SFS-контактов, которая связана «с переходом контакта в 7г-состояние. Исследовано непосредствен-. ное влияние температуры на изменение длины когерентности в SFS-переходах в случае слабого ферромагнетика.
• Переход в 7г-состояние продемонстрирован непосредственно как сдвиг на половину кванта магнитного потока зависимости максимального транспортного сверхпроводящего тока треугольных сеток джозефсоновских SFS-контактов от внешнего магнитного потока. Показано, что сдвиг происходит скачком при температуре соответствующей переходу в тг-состояние SFS-контактов, входящих в сетку.
Практическая ценность работы определяется, в первую очередь, возможными применениями полученных результатов в активно развивающейся в настоящее время джозефсоновскрй электронике. 7г-контакты на основе SFS-переходов могут легко и воспроизводимо изготавливаться стандартными и доступными методами тонкопленочной микроэлектроники и могут быть востребованы как в пока еще гипотетической, области квантовой логики для создания квантового бита, так и в будущей сверхпроводящей цифровой электронике в качестве инвертора сверхпроводящей фазы. Важным с практической точки зрения свойством SFS-структур является продемонстрированная в диссертационной работе возможность управления переходом из 0- в 7г-состояние и обратно путем изменения температуры.
Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Списка цитируемой литературы. Глава 1 является обзором литературы, посвященной свойствам джозефсоновских контактов, теоретических работ по возможному сосуществованию сверхпроводимости и ферромагнетизма, а также обзору работ по исследованию эффекта близости в системах сверхпроводник-ферромагнетик. Глава 2 содержит описание экспериментальных методик и технологии приготовления образцов. В Главе 3 приведены результаты исследования джозефсоновских свойств переходов сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник. Глава 4 по-. священа исследованию аномальной возвратной температурной зависимости критического тока в отдельных джозефсоновских сэндвичах сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник, связанной с переходом в 7г-состояние. В Главе 5 рассматривается поведение треугольных сеток джозефсоновских контактов сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник и непосредственно демонстрируется фазовый тг-сдвиг при переходе контактов в 7г-состояние. В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
• Приготовлены и исследованы тонкопленочные сэндвичи типа сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (Nb-Cui-^Nia—Nb).
• Экспериментально подтверждена возможность джозефсоновской связи двух сверхпроводников через ферромагнетик в SFS-структурах. Обнаружены сверхтоки в таких структурах и получены классические фраунгоферовы зависимости критического тока от внешнего магнитного поля.
• Обнаружена аномальная возвратная зависимость критического тока джозефсоновских SFS-контактов от температуры, которая связана с переходом контакта в 7г-состояние. Выявлено непосредственное влияние температуры на изменение длины когерентности в SFS-переходах в случае слабого ферромагнетика.
• Переход в 7г-состояние был продемонстрирован непосредственно как сдвиг на половину кванта магнитного потока зависимости максимального транспортного сверхпроводящего тока треугольных сеток джозефсоновских SFS-контактов от магнитного потока. Показано, что сдвиг происходит скачком при температуре, соответствующей переходу в 7г-состояние SFS-контактов, входящих в сетку.
Приведенные в диссертации экспериментальные результаты были получены впервые, хотя некоторые из обнаруженных эффектов были еще давно предсказаны теоретически. Полученные в работе экспериментальные подтверждения этих эффектов могут привести к новому витку развития «джозефсоновского» направления современной физики и сверхпроводящей электроники. Например, демонстрация самофрустри-рованного состояния в сверхпроводящих сетках с джозефсоновскими контактами дает реальную возможность приготовить квантовый бит (кубит) без использования внешнего фрустрирующего магнитного поля.
Содержание диссертации опубликовано в работах:
• A.V. Veretennikov, V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.Yu. Rusanov, V.A. Larkin, and J. Aarts. Supercurrents through the superconductor-ferromagnet-superconductor (SFS) junctions. Physica В 284−288 495 (2000).
• V.V. Ryazanov, A.V. Veretennikov, V.A. Oboznov, A.Yu. Rusanov, V.A. Larkin, A.A. Golubov, and J. Aarts. Reentrant superconducting behavior of the Josephson SFS junctions. Physica С 341−348 1613 (2000).
• V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.Yu. Rusanov, A.V. Veretennikov, A.A. Golubov, and J. Aarts. Coupling of two superconductors through a ferromagnet: evidence of a pi-junction. Phys. Rev. Lett. 86 2427 (2001).
• V.V. Ryazanov, V.A. Oboznov, A.V. Veretennikov, A.Yu. Rusanov, A.A. Golubov, and J. Aarts Coupling of two superconductors through a ferromagnet. SFS pi-junctions and intrinsically frustrated superconducting networks. Usp. Fiz. Nauk (Suppl.) 171 (10) 81 (2001).
В заключение мне хотелось бы выразить искреннюю благодарность В. В. Рязанову за руководство моей работой, постоянное внимание и всестороннюю поддержку. Я очень признателен В. А. Обознову — его талант технолога, чутье и эрудиция в значительной степени определили успех проделанной работы. Я также признателен Н. А. Степакову за активное участие в работе и постоянную готовность прийти на помощь. Хочу поблагодарить весь нынешний коллектив Лаборатории сверхпроводимости, а также многих ее бывших сотрудников за поддержку и доброжелательность. Отдельно хочу выразить признательность своей семье и особенно жене Ане, которая с пониманием относилась к моей работе и почти не ругалась, когда я поздними вечерами и в выходные дни пропадал в лаборатории.
Заключение
.