Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Флуктуационные, неравновесные и когерентные явления в сверхпроводниках 12
1.1. Флуктуационные эффекты в сверхпроводниках 12
1.1.1. Флуктуационная проводимость 12
1.1.2. Флуктуации параметра порядка вблизи Тс 15
1.1.3. Особенности резистивных переходов и флуктуационная проводимость в гранулированных сверхпроводниках 17
1.1.4. Термические топологические возбуждения в сверхпроводящих плёнках 21
1.2. Критические токи сверхпроводящих плёнок 24
1.3. Избыточный ток в слабосвязанных сверхпроводниках . 26
1.4. Когерентные эффекты в гранулированных сверхпроводниках 27
1.1.1. Когерентные эффекты на постоянном токе 27
1.4.1. Когерентное джозефсоновское излучение 30
1.4.2. Когерентные эффекты при наличии внешнего СВЧ сигнала 32
1.5. Постановка задачи и выбор объектов исследования . 36
ГЛАВА 2. Исследование состояния тонких гранулированных плёнок ванадия в области их сверхпроводящего перехода 40
2.1. Образцы и техника эксперимента 40
2.2. Флуктуационная проводимость при ТС 47
2.2.1. Резистивные переходы гранулированных плёнок . 47
2.2.2. Особенности на зависимости СГ, обусловленные гранулящией плёнок 50
2.3. Область критических флуктуации 51
2.4. Обсуждение экспериментальных результатов и сравнение их с теорией 54
2.4.1. Флуктуации при ТТ 54
2.4.2. Область критических флуктуации 58
2.5. Особенности поведения сверхпроводящих гранулированных плёнок при Т-TQ 59
2.6. Исследования в СВЧ полях 63
2.6.1. Влияние СВЧ излучения на резистивные переходы плёнок 63
2.6.2. Влияние СВЧ излучения на критические флуктуации 66
2.6.3. Влияние СВЧ излучения на размерность флуктуации . 68
2.7. Выводы 70
ГЛАВА 3. Исследование критических и избыточных токов сверхпроводящих гранулированных плёнок ванадия 73
3.1. Критические токи сверхпроводящих гранулированных плёнок 73
3.1.1. Особенности вольт-амперных характеристик плёнок и зависимости при Т-Тс и малых измерительных токах 73
3.1.2. Обсуждение экспериментальных результатов и сравнение их с теорией 75
3.1.2.1. Температурная зависимость критического тока плёнок 75
3.1.2.2. Связь наблюдаемых явлений со структурой образцов. .78
3.2. Избыточный ток в сверхпроводящих гранулированных плёнках ванадия 83
3.2.1. Экспериментальное исследование избыточного тока сверхпроводящих гранулированных плёнок 84
3.2.2. Обсуждение экспериментальных результатов и сравнение их с теорией 88
3.2.2. Выводы 93
ГЛАВА 4. Когерентные эффекты в гранулированных сверхпроводниках 95
4.1. Когерентные эффекты в сверхпроводящих гранулированных плёнках 95
4.1.1. Эффекты на постоянном токе 95
4.1.2. Когерентное джозефсоновское излучение 101
4.1.3. Когерентные эффекты при наличии внешнего СВЧ сигнала 105
4.1.4. Детектирование СВЧ сигналов сверхпроводящими гранулированными плёнками 115
4.1.5. Связь наблюдаемых эффектов со структурой образцов 121
4.2. Когерентные эффекты в сверхпроводящих порошковых ниобиевых контактах 125
4.2.1. Технология изготовления образцов 125
4.2.2. Вольт-амперные характеристики контактов различных типов .127
4.2.3. Особенности смешения СВЧ сигналов ниобиевыми порошковыми контактами 128
4.2.4. Смеситель частот миллиметрового диапазона на сверхпроводящем порошковом контакте .141
4.3. Сравнительное обсузвдение экспериментальных результатов 145
Заключение 147
Литература 151
- Особенности резистивных переходов и флуктуационная проводимость в гранулированных сверхпроводниках
- Особенности поведения сверхпроводящих гранулированных плёнок при Т-TQ
- Экспериментальное исследование избыточного тока сверхпроводящих гранулированных плёнок
- Смеситель частот миллиметрового диапазона на сверхпроводящем порошковом контакте
Введение к работе
Теоретическое предсказание в 1962 году ZVJ и экспериментальное подтверждение в 1964 году L2J эффектов Джозефсона послужило мощным стимулом для развития исследований в области физики слабосвязанных сверхпроводников. Общим для сверхпроводящих слабосвязанных контактов (ССК) является наличие двух сверхпроводников, соединенных областью с пониженным значением параметра порядка А . Суть эффектов Джозефсона заключается в том, что в отсутствие внешнего магнитного поля Н » во-первых, ток, протекающий через слабую связь оказывается зависящим от разности фаз параметра порядка в берегах контакта:
I=IctinY, (0.1) где Iq - максимальное значение тока, протекающего без диссипации через контакт, и, во-вторых, при появлении напряжения на контакте в нём генерируются электромагнитные колебания, частота которых j связана с напряжением V соотношением hf=ZeV (0-2) где П - постоянная Планка; Q - заряд электрона. По мере развития исследований в данной области стало ясно, что наличие у ССК джозефсоновских свойств зависит от соотношения между характерным размером слабой связи р и длиной когерентности при данной температуре а (ТІ , а именно: р ^(77 . Число слабых связей, обнаруживающих эффекты Джозефсона достаточно велико СЮ . Наиболее изученными из них являются собственно джозефсоновские туннельные контакты, сверхпроводящие точечные контакты (СТК), микромостики Дайема, мостики переменной толщины (МПТ) и мостики на эффекте близости.
Наличие существенно нелинейной вольт-амперной характеристики - б - (ВАХ) и собственного высокочастотного излучения определили значительный прикладной интерес к ССК. Наряду с исследованиями физики процессов, протекающих в ССК, значительное число работ конца 60-х, начала 70-х годов было посвящено вопросам применения различных ССК в качестве нелинейных элементов генераторов, детекторов и смесителей частот СВЧ диапазона C4~6J . Причем по ряду параметров, и в первую очередь по быстродействию, то есть возможности применения в субмиллиметровой области длин волн ССК значительно превосходили существовавшие в то время полупроводниковые детекторы и смесители C7f 8J . В то же время, всем ССК присущ ряд недостатков, которые не позволили пока реализовать предсказываемые теорией предельные параметры приемных устройств, использующих в качестве нелинейных элементов такие контакты. К ним относятся: механическая нестабильность, заключающаяся в изменении параметров слабой связи со временем и особенно в процессе охлаждения (СТК); малое сопротивление (микромостики и МИГ) и большая ёмкость (туннельные контакты), приводящие к недопустимо большим потерям на рассогласование с СВЧ трактами.
Одним из возможных путей устранения указанных недостатков явилось создание и исследование многосвязных джозефсоновских систем (ВДС) в виде цепочек 9,103 и наборов Г/7,/2 J ССК, а также гранулированных сверхпроводников (ГС) различных типов [31 , в том числе и гранулированных плёнок П13,1^й . Если создание регулярных наборов ССК является сложным технологическим процессом, требующим применения электронной фотолитографии, то гранулированные плёнки могут быть получены широко известным методом вакуумного напыления. Совершенствуя метод напыления удаётся получать образцы с заданным размером гранул и контролируемыми параметрами. Помимо простоты изготовления другим и основным аспектом, определившим выбор гранулированных сверхпроводников в качестве объекта исследований, является широкий спектр физических явлений в ГС, которые к моменту начала настоящей работы либо вообще не были исследованы, либо изучались в некоторых частных случаях. К таким явлениям следует отнести флуктуационные эффекты в ГС в области их резистивного перехода как выше, так и ниже температуры перехода Тс, критический и избыточный токи в гранулированных плёнках; когерентные эффекты в статистических наборах ССК. Как известно, поведение ГС существенным образом зависит от соотношения между средним размером гранул О и Ц(Т) » чт<> в свою очередь даёт возможность проследить взаимосвязь исследуемых явлений со структурой образцов.
Что касается наблюдения джозефсоновских свойств, то основная трудность при реализации системы слабых связей заключается в необходимости создания большого числа контактов с одинаковыми параметрами. Поскольку в реальных системах разброс параметров всегда имеет место, существенным для понимания процессов в наборах ССК является выяснение условий их синхронизации как внешним, так и собственным излучением, а также выявление других возможных механизмов, приводящих систему в когерентное состояние, в котором набор ведет себя как единое целое по отношению к внешним возмущениям. При этом возросшее сопротивление, а также температурная и временная стабильность ГС создают предпосылки для их успешного использования в качестве нелинейных элементов различных СВЧ устройств.
Понимание изучаемых явлений имеет не только большое прикладное значение. Их правильная интерпретация важна и с общефизической точки зрения, так как она позволяет глубже понять сущность фундаментальных микроскопических процессов, происходящих в сверхпроводниках. Отсюда очевидна актуальность исследований, представленных в настоящей работе, нелью_которой является всестороннее и - 8 -полное изучение перечисленных выше явлений в гранулированных сверхпроводниках на основе переходных металлов в широком интервале температур и токов как в отсутствии, так и при наличии внешнего СВЧ излучения.
Использование измерений на постоянном токе в сочетании с разнообразными исследованиями в СВЧ полях применительно к гранулированным сверхпроводникам, свойства которых могут меняться в значительных пределах под действием температуры, тока и СВЧ излучения, позволило получить ряд новых физических результатов, определивших научную новизну настоящей работы, а именно: - на каждом конкретном образце полностью изучено влияние всех известных флуктуационных механизмов на резистивные переходы гранулированных пленок как выше, так и ниже Т„; показана возможность существования термических топологических возбуждений типа вихрь-антивихрь в гранулированных пленках ванадия ниже Тс; - изучено влияние СВЧ излучения на резистивные переходы гранулированных пленок и обнаружено: изменение размерности слабых флуктуации; уменьшение за счет стимуляции сверхпроводи мости, а затем увеличение области критических флуктуации при увеличении мощности внешнего СВЧ сигнала; стимуляция сверх проводимости нульмерного ансамбля частиц малого размера вбли зи температуры их резистивного перехода Тс0; резкое возрас тание сопротивления образцов в температурной области существова ния термо-вихрей; показана взаимосвязь наблюдаемых явлений с соотношением между S("]~j и эффективным размером гранул й ; обнаружено изменение ряда электрофизических параметров ГС при переходе от случая z*(TJ>(7, вблизи Т к случаю с (TJ ^-І- ПРИ изменении температуры,' - обнаружен избыточный ток в ГС и изучено его поведение как при малых, так и при больших напряжениях вплоть до перехода образцов в нормальное состояние, показана связь наблюдаемых явлений с когерентными свойствами набора ССК; і - обнаружены и исследованы когерентные эффекты как в гранулированных плёнках ванадия, так и в Nb порошковых контактах; измерены предельные параметры СВЧ детекторов и смесителей, использующих в качестве активного элемента такие ГС; разработан и испытан лабораторный макет сверхпроводникового смесителя миллиметрового диапазона длин волн на сверхпроводящем порошковом контакте.
Указанные выше Езультаты настоящей диссертации являются основными и вшосятся_на_задит.
На основе полученных физических результатов показана перспективность применения сверхпроводящих гранулированных плёнок для детектирования и смешения СВЧ сигналов миллиметрового диапазона, проведен сравнительный расчет вольт-ваттной чувствительности таких устройств, показано негативное влияние собственной джо-зефсоновской генерации на приём слабых сигналов и даны рекомендации по улучшению достигнутых параметров; получена разносторонняя информация о влиянии флуктуации на резистивные переходы гранулированных плёнок, что имеет первостепенное значение с точки зрения их практического применения в сверхпроводниковых болометрах; определены требования к структуре образцов, необходимые для реализации нужных свойств ГС.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
Во_вваении обосновывается актуальность выбранной темы, раскрывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов и даётся краткий обзор содержания работы.
ILSE22*LE22 содержится обзор литературы, отражающий со- временное состояние исследований по основным вопросам, рассмотренным в диссертации: флуктуациям, критическим и избыточным токам, а также когерентным эффектам в сверхпроводниках; формулируется постановка задачи и обосновывается выборов объектов исследования.
22-ї2Р2Е_С5 описывается экспериментальная техника низкотемпературных измерений на постоянном токе и в СВЧ полях. Приведены результаты всестороннего исследования влияния флуктуации на ре-зистивные переходы гранулированных плёнок ванадия, а также результаты исследования влияния СВЧ излучения на резистивные переходы и размерность флуктуации в таких плёнках.
Третья_глава посвящена описанию экспериментов по изучению критических и избыточных токов в сверхпроводящих гранулированных плёнках ванадия и установлению связи обнаруженных явлений с особенностями структуры исследованных плёнок.
1_Н?РЇ2Е_С5 сообщаются результаты обнаружения и изучения когерентных эффектов в сверхпроводящих гранулированных плёнках ванадия и ниобия и порошковых ниобиевых контактах. Приводятся результаты измерения предельных параметров таких образцов в режимах широкополосного детектирования и смешения СВЧ сигналов. Анализируются возможности их применения в качестве нелинейных элементов различных СВЧ устройств миллиметрового диапазона длин волн. Обсуждается схема и параметры лабораторного макета смесителя частот миллиметрового диапазона на сверхпроводящем порошковом контакте. ^.заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Диссертация изложена на 165 страницах, из которых машинописный текст занимает 119 страниц, включая 5 таблиц, 42 рисунка - 31 страница и список литературы из 114 наименований - 15 страниц. - II -
Основные результаты работы обсуждались на:
18-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур: HT-I8, Киев, 1974 г.
19-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур: HT-I9, Минск, 1976 г.
21-ом Всесоюзном совещании по физике низких температур: HT-2I. Харьков, 1980 г.
7-10-ом Всесоюзных семинарах "Применение эффекта Джозефсо-на в вычислительной технике", Киев, 1979-83 г.г., а также на научных семинарах во ФТИНТ АН УССР и ДонФТИ АН УССР и отражены в 9 публикациях.
Особенности резистивных переходов и флуктуационная проводимость в гранулированных сверхпроводниках
В предыдущих параграфах данной главы были рассмотрены флуктуационные эффекты как при температурах превышающих критическую, так и непосредственно в районе Т . Поскольку размытие перехода происходит в обе стороны от критической температуры массивного сверхпроводника (см. рис. I.I), то при изучении флуктуационных эффектов в тонких плёнках в качестве Т обычно выбирают значение Т при R(Tj/RD =0,5 Г38] Перейдем к рассмотрению различных явлений ниже (Т„), которую в данном слу-чае будем определять экстраполяцией зависимости R(Tj до её пересечения с осью температур (см. рис. I.I). Таким образом определялась температура перехода и в последующих параграфах данной главы, а также в соответствующих главах диссертации в целом.
Ряд результатов, полученных в процессе изучения сверхпроводящих гранулированных плёнок при Т (Т ) может быть интерпре-тирован с учетом наличия в них топологических термических возбуждений типа вихрь-антивихрь. Теория топологических фазовых переходов (ТФП) в существенно двумерных средах была независимо развита Березинским C39J , а также Костерлицем и Таулесом C40J» Ими было показано, что в таких системах, в частности в двумерной нейтральной сверхтекучей жидкости существует термодинамическая нестабильность, вследствие чего пары вихрей-антивихрей, связанные при низких температурах, спонтанно распадаются на свободные вихри при T2t3 (Tcj Существование такой нестабильности в гелиевых плёнках тесно связано с тем фактом, что энергия взаимодействия пар таких вихрей логарифмически зависит от расстояния между ними.
В ряде работ С41 4Ч-] показано, что такие же свободные топологические вихри могут существовать и в тонких (толщиной Сі b(T)\ шириной W (Т) сверхпроводящих плёнках, если глубина проникновения в образец перпендикулярного магнитного поля A±(T) V d . Как известно С4&,49] , в этом случае энергия взаимодействия вихрей также подчиняется логарифмическому закону вплоть до расстояний t - Л± (Т). Поскольку свободные вихри начинают двигаться по образцу под действием любого конечного тока, в таких сверхпроводниках должно наблюдаться конечное сопротивление при r2j ,cT4Jc} » уменьшающееся до нуля при /"- Tej .
Используя основные положения теорий C39J и C40J, в работе C41J получено простое выражение, связывающее 1? с(Тр) и справедливое вблизи (Тс): где f{0 =fi/G = 4,І2/к0м/о7 Однако в плёнках конечных размеров, в результате того, что диапазон логарифмического взаимодействия ограничен, часть вихрей будет существовать и ниже 7 » то есть должно произойти некоторое уширение ТФП C44J . Вопрос о ТШ в сверхпроводящих плёнках конечных размеров подробно рассмотрен в работе C47J » в которой для Т получено выражение, совпадающее с (І.І9) даже если закон взаимодействия вихрей отличается от логарифмического. Согласно (І.І9), для получения заметного отношения (Tcj/T нужны плёнки с большим значением R0 . Исходя из этих соображений, в перечисленных выше работах исследовались гранулированные плёнки с явно выраженными туннельными барьерами между гранулами, вследствие чего RQ в таких образцах было 10 кОм/о . Ряд полученных результатов объяснялся наличием свободных вихрей в таких образцах, однако эффектов, связанных с их движением в токовом состоянии, не наблюдалось, что объяснялось сильным пиннингом вихрей в таких высокоомных системах Г4/,437 .
Попытка обнаружить существование свободных топологических вихрей в тонких гранулированных плёнках с непосредственной проводимостью между гранулами и, как следствие, сопротивлением RQ - 10 0м/о , была экспериментально осуществлена с помощью трансформатора Гивера в работе ОЄОІ . Выражение, связывающее Т2 о То в таких плёнках, имеет вид CS1J где А = (54-11) в зависимости от структуры образца; -jjCSnlKTl/Ro] при Т- (ТС) и легко определяется из экспериментальной зависимости Й(Т/ ; - эффективное сопротивление слабой связи, характеризующее вели чину cLlc/dT при Т- -(Т ) и существенно превышающее нормальное сопротивление слабой связи, если проницаемость межзеренных гра ниц достаточно мала; J0 - критический ток плёнки. В работе ряд полученных при исследовании квазигранулированных алюминиевых плёнок экспериментальных результатов объяснялся наличием то пологических возбуждений в таких образцах. Однако эффекты, свя занные с дополнительной диссипацией, вследствие движения сво бодных вихрей при , не изучались. Заканчивая рассмотрение различных флуктуационных эффектов в сверхпроводниках, на основании изложенного выше, на резистив-ных переходах сверхпроводящих гранулированных плёнок можно выделить следующие температурные области (см. рис. I.I). I - область резистивного перехода гранул при TCQ. Если сопротивление плёнки удовлетворяет условию (I.I7), эта область на резистивном переходе отсутствует. П и Ш - область слабых флуктуации, определяемая влиянием G" ; П - область нульмерных, Ш - двумерных флуктуации, ІУ- область критических флуктуации вблизи Т_. У - область существования термических свободных вихрей ниже (Тс). Как уже отмечалось, поведение ГС существенным образом зависит от соотношения между С( и к (ТІ . В температурном интервале вблизи температуры перехода выполняется условие при этом процессы в отдельных слабых связях не могут влиять на общее поведение образца. Согласно C52.,5 3J такие гранулированные системы можно рассматривать как однородные, "грязные" (т.к. ЭФ мала) сверхпроводники второго рода.
Особенности поведения сверхпроводящих гранулированных плёнок при Т-TQ
Образцы в виде мостиков длиной Д 500 мкм и шириной U -25MKM вырезались из гранулированных плёнок У и No с размерами 2 х 20 мм
Плёнки получались конденсацией на грань (001) фторфлогопита толщиной 0,03 мм с помощью электронно-лучевого испарения металла чистотой не хуже 99,9% при давлениях остаточных газов в вакуумной камере 10 мм
Достоинства подложек из искусственной слюды - фторфлогопита заключаются в возможности осаждения плёнок в широком интервале температур до Ю00С и последующем отделении плёнок от подложки для исследования их структуры методами электронной микроскопии "на просвет". Изготовление плёнок производилось в Харьковском политехническом институте по методике, разработанной А.Н.Стеценко и А.И. Федоренко. Там же проводились электроннографические исследования плёнок. Полученная с помощью электронной микроскопии фотография типичного ванадиевого образца с хорошо выраженными границами зёрен показана на рис. 2.2. Варьируя условия напыления, можно было получать образцы с различными свойствами. Как показали наши исследования, в результате напыления образуется двумерный набор ССК, преимущественно типа МПТ, с характерными размерами (f —(300 700) А. Технологию изготовления порошковых контактов представляется целесообразным рассмотреть в главе 4, в которой исследуются свойства таких образцов.
Резистивные переходы плёнок записывались при токе 50 мкА четырехзондовым методом. При СВЧ исследованиях измерительный ток снижался до 10 мкА. Применение двух самописцев типа ГЩП-004 позволяло изучать одновременно любую пару ниже следующих величин: ВАХ образцов, их производные и отклик образцов в режиме детектирования или смешения. Для записи образцы /\у включались в мостовую схему (рис. 2.3), что значительно повышало чувствительность измерений [94] . Модулирующий сигнал частотой f — I кГц подавался в одну из диагоналей моста от генератора /13-102 с малым коэффициентом гармоник. Переменные сопротивления RfaRfyRg обеспечивали балансировку схемы при нулевом смещении. Сигнал разбаланса усиливался усилителем У2-6, выпрямлялся синхронным детектором и подавался на j -вход одного из самописцев. Часть схемы, служащая для записи ВАХ состояла из блока развертки и усилителя ФІІ6/К2), измеряющего на образце напряжение, с выхода которого усиленный сигнал подавался на самописец. Напряжение, пропорциональное току, снималось с сопротивления Яj и подавалось на X -входы обоих самописцев. В качестве источника тока использовался интегратор, выполненный на операционном усилителе с высоким входным сопротивлением (К284 УД I) по схеме, аналогичной приведенной в работе C9/J » но без усилителя мощности. В результате максимальное значение тока на выходе интегратора на нагрузке /ч 1000м составило 12 мА. В режиме "Сброс" изменение тока на выходе схемы не превышало 0,3% за минуту, что было вполне достаточно для проведения различных измерений. Вся электрическая проводка вне криостата была выполнена по симметричной схеме скрученными проводами в экранирующей оплётке; экраны всех проводов заземлялись в общей точке. Для экранировки от внешних магнитных полей использовался экран из /U-металла, расположенный непосредственно внутри криостата, что позволяло снизить в районе образца значение магнитного поля до величины НВерг = 7-I0 43 ±1056; Игор= 6,5 I0 3 ±10%. Стандартная установка с откачкой паров гелия позволяла работать в интервале температур (4,2 1,9)К. Стабилизация температуры обеспечивалась маностатом с точностью не хуже 10-.
Для обеспечения СВЧ исследований образцы размещались в смесительной головке, образованной плавным переходом волноводного сечения 17x8 мм на 17x4 мм соединенного по широкой стенке с волноводом сечением 3,6 х 1,8 мм . Каждый волновод заканчивался -поршнем с автономной регулировкой. Для удобства монтажа образцов головка изготавливалась разборной: разрезанной по широкой стенке. Так как толщина фторфлогопитовой подложки была мала, плёнки, изолированные тонкой плёнкой майлара, просто зажимались между двумя половинками смесительной головки. В зависимости от исследуемого диапазона частот непосредственно образец смещался в волновод нужного сечения. Благодаря собственной индуктивности и емкости образца (см. рис. 2.1), а также паразитным емкостным связям создавалась возможность возникновения резонансных условий на некоторой частоте. В режиме смешения сигналы от двух генераторов миллиметрового диапазона ГЗ-37 (рис. 2.4) подавались на образец по волноводу 3,6 х 1,8 мм . Сигнал промежуточной частоты У 15 ГГц по волноводу 17 х 8 мм поступал на вход приёмника П5-ІЗ. На входе приёмника ставился ферритовый вентиль, исключающий попадание паразитного излучения гетеродина приёмника на образец. Продетектированный сигнал с выхода приёмника подавался на У -вход самописца. Конструкция лабораторного макета смесителя на порошковых fvb контактах рассматривается в 4 главе.
Экспериментальное исследование избыточного тока сверхпроводящих гранулированных плёнок
Как было отмечено выше, в узкой температурной области вблизи Т зависимость и(JJ , изучаемых плёнок оказывается экспоненциальной. Согласно С4,$2]ъ этой области температур доминируют критические флуктуации. Теория f32J , рассматривающая резис-тивное состояние тонких сверхпроводящих плёнок в области фазового перехода при Т Тс с точки зрения критических флуктуации даёт следующее выражение для и при ± —-0: от І до 5. Для сопоставления теории с экспериментом необходимо сравнить показатели экспонент. Предзкспоненциальный множитель сказывается лишь на сдвиге Т за счет флуктуационных эффектов, не изменяя форму и ширину перехода Е2Ь] . Таким образом, необходимо экспериментальное значение Т , которое при Т Тс определяется по наклону прямых, приведенных на рис. 2.8, приравнять его теоретическому значению, что при заданной величине /71$ф даёт возможность определить (X. Полагая /7)$ф равной массе свободного электрона 17)ое a Vf равной для ванадия 1,89x10 см/сдля ряда образцов получим: d - 1,16 4,3 (см.табл.2.2), что согласуется с существующими теоретическими оценками. Полученный результат также показывает, что в изучаемых гранулированных плёнках с непосредственной проводимостью носителями заряда являются электроны с эффективной массой, близкой к /7)ое» При известномJJ можно оценить температурную ширину области критических флуктуации Л 7/ р , поскольку CJ02] :
Полученные таким образом значения Л 7/ср также приведены в таблице 2.2 и, в отличие от данных работы С24] , практически совпадают с температурным интервалом A/fcp /c экспоненциального изменения . Таким образом, теория критических флуктуации позволяет объяснить как температурный ход , так и ширину резистивного перехода исследовавшихся плёнок вблизи Т .
Форма резистивных переходов изучаемых плёнок рассмотрена в параграфе 2.2.1 (см. рис. 2.5). Там же отмечено, что на резистив-ных переходах гранулированных плёнок ванадия при T .(TQ), которая в данном случае определяется экстраполяцией к нулю зависимости RlV/ o наблюдаются аномально длинные резистивные области С Сопротивлением -1% ОТ RQ . анализ соотношения между.
Rtfip показал, что для всех изученных образцов й# $/цг/ » а для образцов с двойным резистивным переходом RA/ Амгр Таким образом исключается возможность интерпретации резистивной области ниже Т как низко опущенного "плато", что могло бы иметь место при выполнении условия RA/ZP Км » и еше Vа3 подчёркивается самостоятельное значение области У (см. рис. I.I) при изучении процессов в ГС. Ясно, что наличие резистивности ниже Тс каким-то образом отразится на свойствах образцов и прежде всего на форме БАХ. Подробно ВАХ плёнок рассматриваются в следующей главе. Тем не менее целесообразно перечислить наблюдаемые особенности
ВАХ при Т Т , связанные с обсуждаемым эффектом. Так начальный с линейный участотк ВАХ, обычно определяющий критический ток (обозначим его Z» )» оказался наклонным. КогдаR образца обращалось в ноль, наклон исчезал. В районе этой температуры ВАХ большинства образцов меняли форму.
Предположение о возможности существования термических топологических возбуждений в исследуемых гранулированных плёнках при Т Т_ позволяет не только разумно объяснить обнаруженные с эффекты, но и выявить их взаимосвязь. Так наблюдаемая в протяженном температурном интервале ниже Тс резистивность и начальный наклон ВАХ, по всей вероятности, обусловлены диссипацией, возникающей при движении свободных вихрей под действием тока. При некотором уменьшении температуры не только исчезает диссипация, но и заметно меняются как форма ВАХ, так и характер температурні ной зависимости тока 1п На изменение формы ВАХ высокоомных ГС при переходе через 7" указывается в работах С43,44] , однако эффекты, связанные с движением свободных вихрей, авторами не обнаружены, что объяснялось сильным пиннингом в таких образцах. Как следует из полученных экспериментальных данных, отсутствие в изучаемых гранулированных плёнках с непосредственной проводимостью между гранулами какого-либо критического тока при Т гораздо ниже Тс (но выше / ), когда разброс параметров отдельных контактов, образующих систему, уже не столь существен. показывает, что пин-нинг свободных вихрей в таких образцах в указанном температурном интервале также отсутствует. Что касается изменения темпера-турной зависимости MQ » то подробнее этот вопрос будет рассмотрен ниже, так как в силу грануляции плёнок сразу не ясна взаимосвязь между 7" и изменением свойств таких образцов при переходе от случая Щ(ТІ Я. к случаю Ь(Т) С( при уменьшении температуры.
Рассмотренные результаты позволяют определить 7" как температуру, при которой исчезает диссипация и изменяется форма ВАХ (последнюю обозначим /д ). Причем для большинства образ -Т-2Р -r2Z цов с точностью до 0,0Ш Ig =т / . Определенные таким образом экспериментальные значения Т близки к теоретическим (см. табл. 2.3),
Смеситель частот миллиметрового диапазона на сверхпроводящем порошковом контакте
Наблюдаемые при увеличении напряжения в области T -lcf собственные ступени на ВАХ сопровождаются значительным возрастанием избыточного тока (рис. 3.8, кривые 2-4). При Т 2,9К возникает и вторая ступень (кривая 4). Зависимость J V(Tj построенная в области первой ступени при УЗ - 260 мВ, также приведена на вставке О рис. 3.6 (крестики). Кривая 2 представляет собой температурную зависимость щели, совмещенную с экспериментальными значениями в точке, отмеченной стрелкой. Видно, что при Т Тд значения -2 з$" стРемятся к своим значениям, полученным при Vn . В области температур 1 7% избыточный ток резко возрастает. Его температурная зависимость теперь определяется как зависимостью
Л(TJ , так и А-Г(Г/ , где АІ - высота джозефсоновской ступени, возникающей в результате взаимодействия собственного излучения набора с резонатором /T37J. Первая всё же является определяющей: на рис. 3.6 зависимость А\/(Т) И при VQ близка к щелевой (кривая 2). Таким образом, при Т -Тсг нестационарные (ступени) и неравновесные {1и%Ъ ) свойства образцов соответствуют свойствам одиночных МПТ. Это указывает на установление в образце когерентного состояния вследствие самосинхронизации набора. При То Т -Тс, собственные ступени на ВАХ отсутствуют (рис. 3.6, 3.8), зависимость A V(T/ отклоняется от А(Т/ , зависимость Тщ ш-- от линейной, а IQ(TI (рис. 3.7) меняет наклон. Иными словами, при этих температурах набор еще не когерентен, что не удивительно, так как здесь C(T/ 4 )J . Это обстоятельство, в частности, не позволяет корректно определить вид зависимости TtfzxfVj, тангенциальный характер которой проявляется наиболее ярко при Т Т
При напряжениях выше резонансных ступеней избыточный ток образца резко возрастает. Из рис. 3.6 и 3.8 хорошо видно, что этот дополнительный избыточный ток сохраняется в широком интервале напряжений, причем и при уменьшении тока через образец. Таким образом, из-за процессов самосинхронизации JT37f6j соответствующее состояние исследуемого набора является устойчивым. Как было показано в 3?J , при резонансе происходит увеличение мощности генерации и, следовательно, подключение к синхронизации дополнительного числа контактов. Подключение параллельных слабых связей должно приводить к уменьшению эффективного значения Ці и, в соответствии (3.1), - к увеличению Ті/35 . Измеряя при Т = 2,8 К значения ЛІ для Vg и ]/2 ( АІ2 = 182,4 мкА,ЛІ = =310мкА) и используя формулу (3.1), находим: Л = 55; Л/в = 95, то есть число когерентных слабых связей (в направлении транспортного тока) возрастает примерно вдвое. Найденное значение /1 практически совпадает с оценкой / ( 100) сделанной в f3?J на основании представлений о собственном когерентном излучении образца (см. главу 4).
Необходимо отметить, что дополнительный избыточный ток возникает на ВАХ гранулированных плёнок в результате реализации резонансных условий в системе слабых связей и поэтому принципиально не может наблюдаться на одиночных контактах, не связанных с резонатором. ВАХ одиночных контактов, по-видимому, будут сохранять значения J i/25" до некоторых напряжений, а затем выйдут на нормальное состояние (как это показано пунктиром на рис. 3.8).
Рассмотрим особенности ВАХ при больших токах. Как следует из рис. З.б и 3.8, при очень больших V величина &i(vi , отсчитанная от прямой I=V//t/y , для всех температур обращается в нуль, что связано с переходом от системы fj-jy-p к р-/1 р контактам. При дальнейшем увеличении J система р П 0 переходит из-за асимметрии "берегов" C/27J » что сопровождается уменьшением АІ/ц вдвое в соответствии с C62r63J а затем в . Скачкообразный характер отмеченных переходов обусловлен их тепловой природой, и не связан с неупругими элект-рон-фононными процессами CJ2&] , наблюдаемыми экспериментально на одиночных коротких ( /J- 20 50А) и чистых (оконтактах /Tf29j . При уменьшении тока в области -скачков наблюдается гистерезис, имеющий, как показали исследования fifQ] , также тепловой характер.
Собственные ступени на ВАХ возникали и при Т Т Тсо (рис. 3.6, кривая 2), что связано с процессами перехода отА/ /? Л/ к $-fl S контактам при понижении температуры.
Таким образом, статистические наборы мостиков обладают рядом неравновесных и нестационарных свойств, характерных для одиночных контактов, и вместе с тем, рядом отличий, связанных со специфической зависимостью числа синхронизированных контактов от температуры и тока, а также с разбросом параметров контактов.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы: 1. Вблизи Т (Т/ С[ и образцы представляют собой достаточно однородные сверхпроводники второго рода. При атом зависимость Хс (Г/ оказывается линейной как в обычных широких пленках. 2. При переходе к ситуации ctT/ Of при понижении температуры образец распадается на совокупность отдельных гранул, соединенных слабыми связями, влияние которых на поведение плёнок ста-новится преобладающим. Одновременно зависимость Тс (ТІ отклоняется от линейной. Определение температуры Та , соответствующей точке перегиба, позволяет оценить размер граунл из соотношения Q = /%/ » который хорошо согласуется со значениями О определенными для этих же образцов при Т выше Т., а также с данными длектроннографических исследований. 3. На основании изучения вольтовых ступеней на ВАХ исследо вана и сопоставлена с теориями /""// // {] зависимость vgfT] . Обнаружено, что при Jg -Т -Тс ь -Ґ # тогда как ниже 7о , где Ц(ч Ч) не зависит от температуры. Таким образом показа- но, что, в соответствии с теорией С/20], именно структурные.
