Слабая сверхпроводимость. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Слабая сверхпроводимость - совокупность явлений, происходящих в слабосвязанных сверхпроводящих системах (неоднородных сверхпроводящих структурах), содержащих узкие (в направлении протекания тока) области либо области, у к-рых сверхпроводимость отсутствует или сильно подавлена. Термин «С. с.» введён Ф. Андерсоном (Ph. Anderson, 1964), т. к. критический ток и критическое магнитное поле в слабосвязанных сверхпроводниках значительно меньше, чем в обычных. С. с. наблюдается в туннельных контактах [два сверхпроводника разделены тонкой

диэлектрич. прослойкой], контактах с прослойкой из нормального (несверхпроводящего) металла и полупроводника, сверхпроводящих мостиках с сужением, точечных контактах, гранулиров. сверхпроводниках, состоящих из большого числа джозефсоновских контактов (рис. 1).

Рис. 1. Слабосвязанные сверхпроводники различных типов: а - туннельный джозефсоновский контакт; б - точечный контакт; в - тонкоплёночный мостик; г - мостик переменной толщины; д - плёнка из сверхпроводника с узкой полоской нормального металла; е - две близко расположенные плёнки, нанесённые на плёнку из нормального металла или из сильнолегарованного полупроводника.

Впервые С. с. наблюдали в туннельных контактах. В таких структурах электроны могут проходить через диэлектрич. барьер (см. Туннельный эффект ),что приводит к возникновению одночастичного туннельного тока (одночастичное туннелирование). Резкие изменения одночастичного тока, связанные с особенностями в плотности состояний сверхпроводников, проявляются на вольт-амперной характеристике (ВАХ) при напряжениях на контакте

где

- значения сверхпроводящих щелей двух разл. сверхпроводников, образующих контакт (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика туннельного контакта в случае одночастичного тока.

Наиб. интерес в С. с. представляет открытое Б. Джозефсоном (В. Josephson) в 1962 протекание слабого тока без падения напряжения в туннельных контактах (сверхпроводящий ток куперовских пар, стационарный Джозефсона эффект ).Макс. ток, к-рый может проходить через туннельный контакт, когда напряжение на нём V = 0, наз. критич. током контакта I_С. Полный ток через контакт

, где

- джозефсоновская фаза. Если к контакту прикладывается напряжение

то ток куперовских пар становится переменным и осциллирует с частотой w, связанной с напряжением V соотношением Джозефсона

(нестационарный эффект Джозефсона). Такой перем. ток приводит либо к генерации излучения из контакта, либо к появлению ступенек на ВАХ при облучении джозефсоновского контакта СВЧ-излучением.

Необычно происходит изменение критич. тока туннельного контакта I_C при приложении магн. поля Н. Если ширина контакта L мала

по сравнению с джозефсоновской глубиной проникновения

, где j_C - плотность критич. тока; d - толщина области, в к-рую проникает магн. поле; Ф₀ - квант магнитного потока], то поле Н проникает в область контакта однородно, а зависимость критич. тока от приложенного магн. поля описывается функцией, характерной для фраунгоферовой дифракц. картины:

где

Если напряжение отлично от нуля, то в присутствии магн. поля в контакте могут распространяться волны плотности тока, скорость к-рых v=cV/Hd. Эти волны наблюдаются по ступеням на ВАХ [ступени Фиске (М. Fiske, 1964)] (рис. 3). Если ширина контакта

, то магн. поле проникает в туннельный контакт неоднородно в виде джозефсоновских вихрей (нитей магн. потока, магн. поле в к-рых экспоненциально спадает на длине

). Джозефсоновские вихри могут перемещаться вдоль контакта под действием тока.

На С. с. (из-за малости критич. параметров) сильно влияют флуктуации, к-рые приводят к двум эффектам. Случайные изменения вдоль плоскости контакта джозефсоновской фазы или плотности критич. тока, связанные с локальными неоднородностями туннельного контакта (структурные флуктуации), приводят к искажению фраунгоферовой зависимости критич. тока от магн. поля. С др. стороны, на контакте может возникнуть разность потенциалов при токе, меньшем критического, связанная со случайным изменением джозефсоновской фазы во времени. Вероятность таких скачков фазы возрастает с увеличением температуры, но при низких темп-pax возможно макроскопич. квантовое туннелирование (существует ненулевая вероятность изменения джозефсоновской фазы со временем при

Рассмотренные эффекты могут проявляться во всех слабосвязанных системах. Кроме того, в нек-рых структурах возникают и др. явления. Так, для контактов с прослойкой из нормального металла возможна несинусоидальная зависимость джозефсоновского тока I от

В структурах с непосредств. сверхпроводимостью (рис. 1,б - г), в отличие от обычного туннельного контакта, малость джозефсоновского тока определяется не слабой проницаемостью диэлектрич. барьера (для куперовских пар), а возрастанием плотности тока в области слабой связи (рис. 1,б - г)либо нарушением корреляции электронов в нормальном металле (рис. 1, д, е). В таких структурах наблюдается неравновесная С. с., обусловленная изменением функции распределения электронов по энергиям. Это приводит к возрастанию критич. тока слабосвязанных систем в СВЧ-поле и к избыточному току при больших напряжениях (ВАХ системы отличается от закона Ома,

, где I_ех - избыточный ток, R - сопротивление контакта в нормальном состоянии). В контактах с полупроводниковой прослойкой возможно изменение критич. параметров, связанных с изменением туннельной прозрачности барьера. На прозрачность барьера сильно влияет концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике, к-рую можно изменять как введением примесей, так и с помощью освещения образца. Кроме того, критич. ток I_C может возрастать из-за прохождения куперовских пар по «флуктуац. каналам» - областям с локально пониженным потенц. барьером, а также из-за резонансного туннелирования (резкое возрастание прозрачности барьера при прохождении куперовских пар по цепочкам периодически расположенных локализов. центров).

Рис. 3. Типичная картина ступеней Фиске контакта Sn - SnO_x - Sn при наличии магнитного поля.

Разнообразие эффектов позволяет использовать С. с. как для физ. исследований (определение сверхпроводящей щели по ВАХ одночастичного тока, исследование неоднородностей и т.д.), так и для практич. применений (сверхпроводящие приёмники излучения, сквиды и т. д.).

Литература по слабой сверхпроводимости

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.