Исследование ?-контактов сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник и фазово-чувствительных структур на их основе

Несмотря на то, что эффект Джозефсона [1] был открыт более 40 лет назад, постоянно открываются новые стороны этого явления. Необычные свойства переходов сверхпроводник — ферромагнетиксверхпроводник (SFS-контактов) связаны с возникновением нового сверхпроводящего состояния в ферромагнетике в окрестности SF-грапицы. Носителями бездиссипативного электрического тока в сверхпроводниках являются так называемые куперовские пары, которые состоят из двух электронов, имеющих равные по абсолютной величине и противоположно направленные импульсы и спины, причем общий импульс и спин пары в основном состоянии равен нулю. Однако в ферромагнетике вблизи ЗТ^-границы реализуются принципиально новые сверхпроводящие связанные состояния, такие, что суммарный импульс носителей сверхтока отличен от нуля.

Возможность нетривиальных сверхпроводящих состояний в присутствии обменного взаимодействия была впервые предсказана Ларкиным и Овчинниковым [2J и независимо от них Фулде и Феррелом.

3] в 19С4 году. Если энергия обменного взаимодействия в материалене очень велика и сравнима с величиной сверхпроводящей щели, то он может быть одновременно и сверхпроводником и ферромагнетиком, несмотря на антогопизм этих явлений в смысле спинового упорядочения. Из-за ненулевого импульса носителей сверхтока сверхпроводящий параметр порядка в таком «ферромагнитном сверхпроводнике» будет периодическим образом зависеть от координат. Позднее было показано.

4], что аналогичные сверхпроводящие состояния могут возникнуть за счет эффекта близости в любом ферромагнетике-, находящемся в контакте со сверхпроводником. В этом случае сверхпроводящая волновая функция будет затухать и осциллировать по мере удаления от Заграницы.

Осцилляции сверхпроводящей волновой функции в ферромагнетике позволяют получить джозефсоновские й^^-переходы с отрицательны" знаком токо-фазового соотношения: j = — jc siri<^ = jc sin (</? + 7r) Важным свойством таких «7г-контактов» (или «джозефсоновски: переходов в 7г-состояпии») является то, что в основном СОСТОЯНИ! разность фаз между их сверхпроводящими берегами равна 7 г, и ош могут быть использованы в качестве источников постоянного фазовог" сдвига (инверторов фазы) в новейших модификациях цифровой ] квантовой логики для реализации двукратно-вырожденных (само фрустрированных) состояний [5]-[6]. При этом одним из важнейши: требований к 7г-коптактам является возможность протекания чере них больших сверхпроводящих токов по сравнению с критическимтоками других джозефсоповских переходов сверхпроводящей логическое ячейки. Только в этом случае 7г-коптакт является стационарныj фазовым инвертором и необходимое вырождение достигается.

Переход джозефсоновского SFS-контакта из обычного 0-состояния 7Г-СОСТОЯНИС был впервые экспериментально обнаружен в ЛабораториСверхпроводимости ИФТТ РАН в 2000;2001 годах па переходах NbCuNi — Nb [7]. Однако на пути к практическому иснользованш 5. Г5-контактов на первых порах возникли серьезные препятствия Основное из них заключалось в малости критической плотности ток первых полученных 7г-контактов: менее 1 А/си2. Вторая проблем заключалась в том. что в ходе транспортных экспериментов можн было зафиксировать лишь сам факт 0 — 7 Г перехода, но невозможн было определить в каком состоянии (0 или ж) находится SFS контакт при данной толщине ферромагнетика и температуре. Еще оди интересный вопрос касался процесса изменения знака токо-фазовог соотношения и был связан с возможностью доминирования в не: высших гармоник (sin (nip)) в окрестности 0 — 7Г-перехода. Настояща диссертационная работа посвящена решению этих и других зада посредством экспериментальных исследований свойств SFS-контактов различной толщиной и составом феромагнитпого слоя, а также фазовс чувствительных структур на их основе.

Цели работы состояли в следующем:

• Исследовать зависимость критической плотности тока джозефсоновских SFS-kohthktob Nb — Cu-xNix — Nb от толщины F-слоя и температуры в широком диапазоне толщин ферромагнетика.

• Исследовать процесс изменения знака токо-фазового соотношения SFS-контактов в области 0 — 7г-переходов.

Практическая ценность работы определяется, в первую очередь, возможными применениями полученных результатов в активно развивающейся в настоящее время джозефсоповской электронике. В работе получены 7г-коитакты с большой величиной критической плотности тока и открыта возможность для практического использованию «SFS-nepexo/ipB в качестве инверторов сверхпроводящей фазы.

Личный вклад автора в экспериментальные работы, выполненные в соавторстве, является значительным и связан с участием в постановке задач, приготовлении структур, выполнении измерений и обработке результатов экспериментов.

Работа выполнена в 2000;200G гг. в ИФТТ РАН (Черноголовка). Некоторые фазово-чувствительные измерения, результаты которых представлены в гл. 4, были выполнены совместно с Д.Дж. Ван Харлингеном и С. М. Фроловым (Университет шт. Иллинойс, г. Урбана, США).

Публикации. Содержание работы отражено в 4 статьях, опубликованных в реферируемых физических журналах.

Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения и Списка цитированной литературы. В первой главе (литературном обзоре) рассмотрена.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующее.

• Исследована зависимость критического тока джозефсоновски SFS-контактов Nb—Cuo.tfNio.w—Nb от толщины ферромагнетик в широком интервале толщин, сопоставимом с полным периодо осцилляций сверхпроводящего параметра порядка. Обнаружен два критических значения толщины F-слоя Си0.47-^20.53, пр которых происходит переход из обычного 0-состояния в '/ состояние и обратно, а также наблюдается температурный 0 — 7 переход. Определены интервалы толщин, в которых ^F^-nepexc является 0- или 7г-конггактом.

• Исследованы условия наблюдения температурных 0 — 7 Г переходе на джозефсоновских контактах Nb — Cu-xNix — Nb пр разном составе и магнетизме CuNi-сплава (х = 0.53,0.57 Экспериментально подтверждено, что период осциллящ сверхпроводящего параметра порядка уменьшается с усиление магнетизма ферромагнитного слоя. I.

• Определены значения действительной и мнимой дл^ когерентности наведенной сверхпроводимости Д-J ферромагнитного сплава Смо.47 N20.53. Показано, что для описан] протекания сверхпроводящих токов через ферромагиитнь Си Ni-слой требуется рассмотрение дополнительного процесс вызывающего разрушение куперовских пар в ферромагнети (помимо температурного и обменного распаривания). Проведе сравнение экспериментальных результатов с данными численнс моделирования на основе микроскопической теории, учитывают влияние рассеяния электронов с переворотом спина ферромагнитном сплаве.

• Исследована зависимость токо-фазового соотношения джозефсоновского 5⁵-контакта от температуры в окрестности О — 7 г перехода. Непосредственно экспериментально обнаружено изменение знака токо-фазового соотношения при прохождении температуры 0 — 7 г перехода. Этот результат надежно доказывает возникновение необычной знакопеременной сверхпроводимости в присутствии обменного поля.

• Продемонстрировано, что токо-фазовое соотношение SFS-контакта при толщине F-слоя, близкой ко второй критической толщине, остается синусоидальным вплоть до температур, отличающихся не более чем на 0.01 К от температуры 0 — 7г-перехода. Амплитуды высших гармоник, если они и присутствуют в токо-фазовом соотношении, не превышают нескольких процентов от критического тока контакта.

• Обнаружено разделение неоднородных 5Т5-контактов в окрестности 0 — 7 г перехода на области 0- и 7г-состояния. Проведено наблюдение резонансных ступеней постоянного напряжения (ступеней Шапиро), возникающих при приложении к такому контакту высокочастотных сигналов. Показано, что в окрестности 0 — 7 Г перехода появляются полуцелые ступени, связанные с возникновением спонтанного вихревого тока (вихря) вокруг границы раздела. Причиной появления полуцелых ступеней является переключение направления вихря под действием переменной составляющей транспортного тока.

Содержание диссертации опубликовано в работах:

А1 В. В. Рязанов, В. А. Обознов, А. С. Прокофьев, В. В. Больгинов, А. К. Феофанов. Сверхпроводящие токи через ферромагнетик. Инверсия фазы в структурах с джозефсоповскими 7гконтактами. УФН, 174, 795 (2004).

А2 S. M. Frolov, D. J. Van Ilarlingen, V. A. Oboznov, V. V. Bolginov, ai V. V. Ryazanov. Measurement of the current-phase relation of supe conductor/ferromagnet/superconductor 7 г Josephson junctions. Ph} Rev. В 70, 144 505 (2004).

A3 V.A. Oboznov, V.V. Bol’ginov, A.K. Feofanov, V.V. Ryazanov, A Buzdin. Thickness Dependence of the Josephson Ground States Superconductor-Ferromagnet-Superconductor Junctions. Phys. Re Lett. 96, 197 003 (200G).

A4 S. M. Frolov, D. J. Van Harlingen, V. V. Bolginov, V. A. Oboznov, ai V. V. Ryazanov. Josephson interferometry and Shapiro step measui ments of superconductor-ferromagnet-supcrconductor 0−7Г junctior Phys. Rev. В 74, 20 503 (200G).

В заключение мне хотелось бы поблагодарить моего научно руководителя В. В. Рязанова, а также В. А. Обознова и Н. С. Степакова неоценимую помощь при сборе материалов для диссертационной работ Кроме того, хотелось бы поблагодарить Я. Фомипова, И. Бобкову и Бобкова за полезные обсуждения, и мою жену Айну за помощь п] оформлении диссертации. I.

Заключение

.