Влияние граничных условий на критическую температуру неоднородных сверхпроводящих мезоструктур

Реферат

Влияние граничных условий на критическую температуру неоднородных сверхпроводящих мезоструктур

Исследования неоднородных сверхпроводящих мезоструктур, в которых сверхпроводимость обусловлена наличием эффекта близости, представляют большой интерес как с прикладной, так и с фундаментальной точек зрения.

В данной работе рассматривается проблема влияния внешних границ на критическую температуру структур типа сверхпроводник/нормальный металл (S/N) и сверхпроводник/ферромагнетик (S/F). В качестве структур типа S/N были рассмотрены трехслойные образцы вида N/S/N и S/N/S. В качестве структур S/F типа исследовались бислойные S/F структуры.

Измерения для многослойных структур S/N типа проводились на трехслойных образцах Cu/Nb/Cu и Nb/Cu/Nb, детали приготовления приведены в [1]. Измерения для структур S/F типа были выполнены на образцах Nb/PdNi детали приготовления описаны в [2].

Критические состояния для структур типа S/F и S/N в отсутствии внешнего магнитного поля без учета парамагнитного и спин-орбитального взаимодействия, могут быть описаны с помощью уравнений Узаделя [3]. В качестве условий сшивания на плоскостях контакта сверхпроводящего и несверхпроводящего слоев использовались условия Куприянова - Лукичева [4]. Метод решения приведен в [5].

Из [5] следует, что решение граничной задачи зависит от следующих параметров. Для S/N структур – от критической температуры массивного сверхпроводящего материала (Nb) T_S , частоты Дебая w_D , длин когерентности в сверхпроводящем и несверхпроводящем слоях:

,

,

где D_S , D_{N( F )} – постоянные диффузии сверхпроводящего и нормального (ферромагнитного) металлов; параметра прозрачности S/N(F) границы , и параметра

,

где r_S , r_{N( F )} – низкотемпературные (при T = 10 K) удельные сопротивления сверхпроводящего и нормального (ферромагнитного) металлов, соответственно. В случае S/F структур, кроме указанных выше параметров, подгоночным также оказывается еще один параметр – энергия обменного взаимодействия E_{ex .}

Дебаевская частота, являясь параметром обрезания, должна быть достаточно большой, чтобы не влиять на критические характеристики сверхпроводника. Это условие с большим запасом выполняется для исследуемых материалов. В частности, для Nb w_D = 275 K. Для определения длины когерентности трехслойных S/N структур x_S = 6.4 нм были выполнены отдельные измерения H_c2 (T). Для бислойных S/F структур получено x_S = 6 нм [2].

Значение параметра p = 2.77 в рассматриваемом экспериментальном случае для Cu/Nb/Cu определяется вполне однозначно. Для структуры Nb/Cu/Nb оказывается возможным получить лишь оценку, p » 2.0 – 8.5. Для структуры Nb/PdNi согласно [2] – p » 0.1 – 1.29.

Параметр T_S достаточно уверенно можно задать для N/S/N, сравнивая асимптотики экспериментальной и теоретической зависимостей T_c (d_S ); в результате для Cu/Nb/Cu имеем T_S » 9 K. Для Nb/Cu/Nb можно установить лишь интервал допустимых значений 7.5 K < T_S < 9.2 K. Для Nb/PdNi из асимптотического значения T_c (d_S ) при T_c → ∞ получено - T_S » 8.8 K. Для структуры Nb/PdNi согласно [2] получено значение E_ex = 230 К.

Параметры и x_N для структуры N/S/N функционально связаны т.е. существует кривая (x_N ), все точки которой дают одну и ту же зависимость T_c (d_S ) (вставка к рисунку 1a). На рисунке 1a белыми квадратами представлена зависимость, рассчитанная со значениями подгоночных параметров T_S = 9 K, x_S = 6.4 нм, p = 2.77, = 0.98, x_N = 34 нм, экспериментальные данные обозначены черными точками.

Попытаемся теперь воспроизвести экспериментальную зависимость (черные точки на рис. 1b) T_c (d_N ) для структуры Nb/Cu/Nb с набором параметров, определенных в задаче о восстановлении зависимости T_c (d_S ). Оказывается, что при заданных p = 2.77, T_S = 9 K не существует значений (,x_N ), воспроизводящих экспериментальную зависимость T_c (d_N ). На рисунке 1b треугольниками острием вниз представлена теоретическая кривая T_c (d_N ), построенная по параметрам = 0.98, x_N = 34 нм, – видим полное несоответствие экспериментальным данным по структуре Nb/Cu/Nb. Воспроизвести экспериментальную зависимость T_c (d_N ) возможно, одновременно изменяя значения подгоночных параметров p, T_S . На рисунке 1b треугольниками острием вверх показана кривая, рассчитанная со значениями подгоночных параметров = 0.98, x_N = 34 нм, p = 2.77, характеризующих структуру Cu/Nb/Cu, и при T_S = 8 K; однако хорошее согласие теории и эксперимента достигается при этом существенным изменением длины когерентности: x_S = 8 нм. На том же рисунке белыми квадратами обозначена теоретическая зависимость T_c (d_N ), рассчитанная с параметрами структуры Cu/Nb/Cu x_S = 6.4 нм, = 0.98, x_N = 34 нм, и T_S = 9 K, и с подгонкой параметра p; его значение, p = 9.8,