T c

Квантово-размерные эффекты и
зарождение сверхпроводимости
в гибридных структурах
сверхпроводник – ферромагнетик
Алексей Аладышкин
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
План
• Краткое введение в теорию сверхпроводимости. Фазовая диаграмма.
Уравнения Гинзбурга – Ландау.
• Возвратная сверхпроводимость в планарных гибридных структурах
«сверхпроводник-ферромагнетик»
• Макроскопический управляемый квантово - размерный эффект
• Визуализация неоднородных сверхпроводящих состояний
• Заключение и контрольные вопросы
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Введение: фазовая диаграмма сверхпроводников
При
низких
температурах
возможно
образование
сверхпроводящего
конденсата
благодаря
дополнительному
взаимодействию
электронов
через
колебания кристаллической решетки:
Δ – энергия связи куперовской пары
Критическая температура Tc сверхпроводящего перехода: Δ ~ kTc
Критическая плотность тока jc и критическое поле Hc : Δ ~ Ekin
Как определить форму кривой фазового перехода Tc = Tc(H) в неоднородном
магнитном поле
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Введение: два класса сверхпроводников
Сверхпроводники I рода – энергия N-S границы положительная,
формирование сверхпроводящего состояния происходит путем
фазового перехода первого рода
Сверхпроводники II рода – энергия N-S границы отрицательная,
формирование сверхпроводящего состояния происходит путем
фазового перехода второго рода
Фазовый переход «сверхпроводник II рода – нормальный металл»
соответствует появлению нетривиального сверхпроводящего решения
с бесконечно малой амплитудой
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Введение: феноменологическое описание
Сверхпроводящий параметр порядка – комплекснозначная функция,
определяющая локальную плотность «сверхпроводящих» электронов
Функционал свободной энергии Гинзбурга-Ландау
Энергия
конденсации
Самовоздействие
Кинетическая
энергия токов
Энергия магнитного
поля
Уравнения Гинзбурга-Ландау
Масштабы длины: ξ – длина когерентности, λ – глубина проникновения магнитного поля
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Введение: зарождение сверхпроводимости
Пример сверхпроводящего
зародыша в нормальной матрице
Линеаризованное уравнение ГЛ
Уравнение Шрёдингера
Вывод: Сдвиг критической температуры сверхпроводящего перехода
определяется уровнем основного состояния одноэлектронного уравнения
Шрёдингера
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Введение: зарождение сверхпроводимости
 ( x, y)  f ( x)eiky - общий вид решения для системы, однородной по оси х
d f ( x)
1  Tc 
 f ( x),

 U ( x) f ( x)  2 1 
2
dx
 0  Tc 0 
2
 2

U  
Ay ( x)  k 
 0

2
 2



B

H
,
A

Hx
,
U

Hx

k
Однородное магнитное поле:
z
y

 0

1
e| H |

E    n  ,  
Спектр Ландау:
2
mc

2
Tc
|H |
1
 (0)
Tc 0 H c 2
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Условия реализации возвратной сверхпроводимости
Зарождение сверхпроводимости
в нулевом внешнем поле
Зарождение сверхпроводимости
вблизи поля компенсации
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Зарождение сверхпроводимости в периодическом поле
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Управляемый квантово-размерный эффект
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Модификация магнитного состояния ферромагнетика
Model
MFM images
T=300K
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Особенности магнитосопротивления сверхпроводящих структур
«Классическая» сверхпроводимость
«Возвратная» сверхпроводимость
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Экспериментальное определение критических параметров
Пример зависимости
сопротивления образца R от
внешнего магнитного поля H,
измеренной при постоянной
температуре
Критическое поле/температура определяется согласно критерию
R(Tc,Hc)=α Rmax, где α=0.1, 0.5, 0.9
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Контролируемое изменение Tc(H) для гибридных структур Al/ CoPt
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Контролируемое изменение Tc(H) для гибридных структур Al/ CoPt
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Конкуренция различных типов локализованной
сверхпроводимости в мезоскопических гибридных структурах
ES – прикраевая (поверхностная) сверхпроводимость
DWS – сверхпроводимость на доменной стенке
RDS – компенсированная сверхпроводимость над «обратными» доменами
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Визуализация неоднородной сверхпроводимости
доменные стенки
Вольтметр/
Lock-in
Источник
постоянного тока
Индуцированное лазерным
лучом падение напряжения
y
∆V= ∆V(x,y,H,T,I,…)
Материал: свинец
Ширина мостика: 30 мкм
Толщина мостика: 50 нм
Tc0 = 7.2 К
Hc2(0)= 2200 Э
x
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
Контрольные вопросы
• Уровни размерного квантования частицы в одномерной потенциальной яме с
бесконечными стенками и в яме конечной высоты
• Принцип неопределенности и энергия основного состояния частицы в
одномерной и двумерной потенциальных ямах
• Принцип расчета кривой фазового перехода S – N
• Методы экспериментального определения кривой фазового перехода
• Почему
квантово-размерные
эффекты
наблюдаться на макромасштабах?
в
сверхпроводниках
Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011
могут