Введение к работе
Актуальность темы. Физика джозефсоновских S-I-S (S - сверхпроводник, I - изолятор) контактов относится к активно исследуемым в настоящее время разделам теории конденсированного состояния вещества. Джозефсонов- ские контакты представляют значительный интерес, как с точки зрения фундаментальной науки, так и с точки зрения их применения в измерительной технике, высокочастотной электронике, радиотехнике и многих других областях. Одним из перспективных направлений применения джозефсоновских переходов является вычислительная техника, так, например, они могут служить узлами в элементах памяти и логических устройствах, а носителями информации в таких устройствах могут быть флуксоны [1-3]. Флуксон, или джозефсоновский вихрь представляет собой вихретоковый солитон, который возникает в S-I-S контакте в сверхкритическом магнитном поле и может, не изменяя формы, перемещаться вдоль "идеального" перехода, перенося квант магнитного потока. Возможность накапливать флуксоны и пересылать их вдоль перехода может быть использована при создании систем записи и передачи информации. При этом каждый флуксон может быть использован в качестве носителя одного бита информации. Такие системы обладали бы очень высоким быстродействием,
поскольку характерное время, необходимое на образование флуксона и его
—12
транспорт вдоль перехода, мало и составляет порядка 10 c [1].
Однако эффективное трение флуксона о неоднородности в туннельном контакте замедляет его движение и при отсутствии внешних сил, создаваемых напряжением, приложенным к пластинам перехода, флуксон, в конце концов, останавливается, "зацепляясь" за неоднородности (пиннинг). Следовательно, при описании реальных S-I-S контактов необходимо учитывать, в частности, и неоднородности туннельной проводимости I-слоя в плоскости контакта, обусловленные случайно расположенными в нем примесями, поэтому теория неупорядоченных систем, являющаяся актуальной и активно развивающейся областью физики конденсированного состояния, находит применение при описании свойств таких контактов.
В случае слабого структурного беспорядка (т.е. малых концентраций примеси в I-слое) в области энергий вблизи однопримесного локального электронного уровня S0 определенные пространственные конфигурации примесных центров приводят к возникновению в неупорядоченном /-слое случайных квантовых резонансно-перколяционных траекторий (КРПТ) [4] - путей, вдоль которых коэффициент прохождения для туннелирующих электронов порядка единицы. При этом в ближайшей к S0 области энергий наибольшее влияние на статику и динамику флуксона будут оказывать однопримесные КРПТ [5]. Вместе с тем остается вопрос: оказывают ли существенное влияние m- примесные (m = 2, 3,...) КРПТ на параметры флуксона за пределами этой узкой области энергий? Поэтому тема диссертации, посвященной нахождению в пространстве существенных параметров контакта областей, в которых параметры флуксона определяются двупримесными КРПТ (m = 2), и решению вопроса о влиянии на параметры флуксона КРПТ с m > 2, является актуальной.
Цель работы: выявить особенности влияния двупримесных КРПТ на статику и динамику джозефсоновского вихря в S-/-S контакте со слабым структурным беспорядком в /-слое при температуре T = 0.
Для достижения поставленной цели с помощью методов, разработанных в [4-10], решались следующие задачи:
в пространстве существенных параметров неупорядоченного контакта найти области, в которых двупримесные КРПТ оказывают основное влияние на нижнее критическое поле контакта, силу пиннинга флуксона и ток "смещения", компенсирующий радиационные потери движущегося флуксона;
исследовать влияние двупримесных КРПТ на мезоскопические флуктуации нижнего критического поля неупорядоченного контакта;
определить степень влияния m-примесных КРПТ (m > 2) на параметры флуксона в неупорядоченном контакте.
Методы исследований. Поставленные задачи решались на основе развитой в [4] теории КРПТ. Для описания неупорядоченного /-слоя применялась модель структурного беспорядка И.М. Лифшица [11]. Использовались методы современной теоретической физики конденсированного состояния, в частности, методы квантовой теории неупорядоченных систем, методы математической физики и компьютерного моделирования.
Объектом исследования являются джозефсоновские контакты со слабым структурным беспорядком в /-слое. Типичные параметры таких контактов [1, 2] использовались при компьютерном анализе математических моделей.
Научная новизна работы
На основе "вириальных" разложений по КРПТ для параметров флуксо- на в неупорядоченном S-/-S контакте при температуре T = 0 [5] впервые проведено детальное сравнительное численно-аналитическое исследование вкладов однопримесных и двупримесных КРПТ в величину нижнего критического поля неупорядоченного контакта, силу пиннинга флуксона и плотность тока радиационных потерь движущегося флуксона.
На плоскости параметров - s0, с), где ^ - уровень Ферми контакта, S0 - энергия однопримесного локального электронного уровня, с - концентрация примеси в /-слое, впервые найдена область преобладающего влияния дву- примесных КРПТ на величину нижнего критического поля неупорядоченного S-/-S контакта, построена линия кроссовера, разграничивающая области преимущественного влияния однопримесных и двупримесных КРПТ на нижнее критическое поле, показано, что область преимущественного влияния двупри- месных КРПТ значительно шире, чем однопримесных. Установлено, что для типичных параметров контакта влияние m-примесных КРПТ (m > 2) на нижнее критическое поле несущественно, так как соответствующий вклад оказывается значительно меньшим, чем нижнее критическое поле "пустого" (без примесей в /-слое) S-/-S контакта.
Впервые показано, что вклад в мезоскопические флуктуации нижнего критического поля неупорядоченного S-/-S контакта, обусловленный двупри- месными КРПТ, значительно больше, чем соответствующий вклад однопримесных, в обширной области параметров на плоскости (^ - S0, с) и слабее подавляется, чем вклад однопримесных КРПТ, при увеличении площади контакта.
На плоскости - S0, с) впервые найдена область преобладающего влияния двупримесных КРПТ на силу пиннинга флуксона в неупорядоченном S-/-S контакте, показано, что эта область параметров значительно шире, чем область преобладающего влияния на силу пиннинга однопримесных КРПТ, построена линия кроссовера, разделяющая эти области. Установлено, что для типичных параметров контакта вклад в силу пиннинга, обусловленный m- примесными (m > 2) КРПТ, существенно меньше, чем суммарный вклад одно- и двупримесных КРПТ.
В пространстве параметров - So, с, в), где в - нормированное напряжение на контакте, на "сечениях" (^ - S0, с, в = const), (^ - S0, с = const, в), (^ - S0 = const, с, в) впервые найдены области преобладающего влияния двупримесных КРПТ на величину плотности тока "смещения", компенсирующего радиационные потери, обусловленные рассеянием движущегося флуксона на неупорядоченной системе примесей в /-слое, показано, что эти области значительно шире, чем соответствующие области для однопримесных КРПТ, построены линии кроссовера, разделяющие эти области. Установлено, что для типичных параметров контакта вклад в плотность тока "смещения", обусловленный рассеянием флуксона на m-примесных КРПТ (m > 2) существенно меньше, чем суммарный вклад одно- и двупримесных КРПТ.
Научная и практическая значимость работы. Для описания реальных контактов необходимо привлекать представления о слое изолятора как о неупорядоченной системе. Наличие примесей в слое изолятора представляет собой один из наиболее распространенных видов структурного беспорядка, влекущий за собой специфические изменения свойств контакта по сравнению с "пустым", т.е. не содержащим примесей в /-слое, контактом. Научная значимость работы определяется тем, что полученные в ней результаты углубляют представления о физических процессах в неупорядоченных S-/-S контактах, находящихся во внешнем магнитном поле.
Практическая значимость работы обусловлена возможностью применения ее результатов при проектировании устройств микро- и наноэлектроники, элементами которых служат джозефсоновские контакты. В частности, результаты работы могут быть полезны при создании элементной базы компьютеров новых поколений.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Существуют области существенных параметров джозефсоновского S-I-S туннельного контакта со слабым структурным беспорядком в I-слое, в которых при температуре T = 0 определяющее влияние на электродинамику контакта оказывают двупримесные КРПТ.
-
Области преобладающего влияния двупримесных туннельных ре- зонансов на нижнее критическое магнитное поле контакта, силу пиннинга флуксона и ток "смещения", компенсирующий радиационные потери движущегося флуксона, в пространстве параметров - s0, с, в) описываются в рамках теории КРПТ.
-
В пространстве существенных параметров S-I-S контакта области преимущественного влияния однопримесных и двупримесных КРПТ разграничиваются линией кроссовера; область преимущественного влияния дву- примесных КРПТ на нижнее критическое поле контакта, силу пиннинга флуксона и ток "смещения" значительно шире, чем соответствующая область для однопримесных КРПТ.
-
Мезоскопические флуктуации нижнего критического поля, обусловленные наличием двупримесных КРПТ, являются преобладающими в обширной области параметров на плоскости (^ - S0, с) и слабее подавляются при увеличении площади контакта по сравнению с флуктуациями, обусловленными однопримесными КРПТ.
-
Влияние КРПТ с m > 2 на электродинамику контакта является несущественным для типичных параметров контакта.
Достоверность результатов, полученных в работе, в основном определяется тем, что они получены в рамках теории, развитой в давно ставших классическими работах И.М. Лифшица и В.Я. Кирпиченкова [4, 11], в последней из которых построена теория КРПТ в неупорядоченных I-слоях. Результаты компьютерного моделирования, проделанного автором, и выводы, сделанные в диссертации, согласуются с научными представлениями, сложившимися в данной области исследований.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации были представлены и обсуждались на следующих симпозиумах: Междунар. симп. "Порядок, беспорядок и свойства оксидов" - ODPO (п. Лоо, 2007, 2008, 2009); Междунар. симп. "Упорядочение в минералах и сплавах" - ОМА (п. Лоо, 2009, 2010); Междунар. междисциплинарном симп. "Физика низкоразмерных систем и поверхностей" - LDS-2 (п. Лоо, 2010).
Публикации. По теме работы опубликовано 13 печатных работ, написанных в соавторстве. Список приводится в конце автореферата.
Личный вклад автора. Автором исследовано влияние двупримесных КРПТ на нижнее критическое поле неупорядоченного S-I-S контакта и его ме- зоскопические флуктуации, силу пиннинга флуксона и ток "смещения", компенсирующий радиационные потери флуксона при его рассеянии на КРПТ, а также найдены области в пространстве существенных параметров контакта, в которых главный вклад в эти физические величины дают двупримесные КРПТ. Выбор темы исследования, постановка задач и обсуждение полученных результатов проводились совместно с научным руководителем, профессором В.Я. Кирпиченковым.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 132 страницах машинописного текста, и содержит 40 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 57 наименований.
