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 в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.