Магнитные свойства двумерных решеток туннельных джозефсоновских контактов

Актуальность работы.

В настоящее время наблюдается большой интерес к изучению регулярных двумерных решеток джозефсоновских переходов (в дальнейшем — J-решетки). Опубликовано множество теоретических рабог, посвященных магнитным свойствам J-pcuicTOK, и и той или иной степени нуждающихся в подтверждении адекватности расчетов эксперименту. Проведено много транспортных исследований J-решеток, однако прямые экспериментальные измерения магнитною момента практически отсутствуют. Сравнение результатов экспериментальных исследований магнитных свойств с представленными в литературе теориями позволяет проверить их применимость к J-решеткам, а также указать факторы, определяющие наблюдаемые явления, что является важной научной задачей. Эксперименты позволяют обнаружить новые явления, т.к. из-за сложности электродинамики J-решеток не все факторы могуг быть учтены в теории.

Исследование джозефсоновских решеток актуально и в прикладном плане, т.к. они более эффективные, чем единичные контакты, источники излучения, детекторы, смесители, — благодаря синхронизации излучений от отдельных контактов. Явление джозефсоновской генерации можно использовать для создания перестраиваемых источников излучения в области субмиллимегровых волн, где сейчас источники практически отсутствуют, благодаря возможности синхронизации излучения отдельных контактов в решетке. Экспериментальные исследования помогут в понимании факторов, как способствующих, так и ограничивающих эффективность когерентной микроволновой генерации.

Активно развивается в настоящее время так называемая RSFQ-логика (Rapid Single Flux Quantum Logic), когда информация передается и хранится в джозефсоновских структурах в виде квантов магнитною потока. Широко обсуждается возможность квантовых вычислений, причем джозефсоновские структуры рассматриваются как одни из самых перспективных для реализации базового элемента таких компьютеров. Исследуется также возможность создания нового типа компьютерной памяти на основе двумерных .1-решеток, строящейся не на традиционной бинарной логике, а на основе распределенной по всей структуре ассоциативной памяти. Поэтому важно знать, как влияют на свойства .1-решеток различные условия (температура, магнитное ноле, геометрические характеристики сетокматериал, из которого они изготовлены и т. д.).

Весьма актуальной является задача экспериментального изучения свойств .1-решеток в почти не изученной области больших критических параметров. Особый интерес представляет проблема существования самоорганизованной критичности (СОК) в .¡—решетках. Это явление наблюдается в широком круге дискретных систем, состоящих из множества активно взаимодействующих элементов. Такие системы имеют множество метастабильных состояний, причем при монотонном изменении внешних условий достигают предела, при этом в них возникают скачкообразные переходы между метастабильными состояниями, которые удерживают систему вблизи критического порога. Важно, что амплитуды скачков не зависят ог величии воздействий или флуктуации, даже слабое возмущение может породить лавину громадного размера. Особенностью является то, что система самоорганизуется, приобретая некий постоянный в среднем параметр, например, у насыпаемой кучи песка — угол склона. Система сама так поддерживает собственное критическое состояние, для этого не надо подстраивать какие-либо ее параметры, в чем и заключается сущность СОК.

На возможность реализации СОК в джозефсоновской среде впервые указал в 1994 г. СЛ. Гинзбург. В сложных джозефсоновских структурах, при больших критических параметрах обладающих офомным числом метастабильных состоянии, возможно наблюдение проявлений СОК, в частности, движение магнитного потока с образованием лавин флуксопов.

Очень важной является задача создания для исследования СОК экспериментальной модели с хорошо контролируемыми параметрами, в качестве когорои могут быть успешно использованы Л-рсшсткик тому же для них существуют достаточно хорошо развитые теоретические модели.

Цель работы заключалась в изготовлении и экспериментальном исследовании транспортных и магнитных свойств регулярных джозефсоновских решеток с большим количеством ячеек, с различным дизайном и большими критическими токами.

Согласно с этим были поставлены следующие задачи:

1. Изготовить регулярные решетки джозефсоновских переходов с различным числом ячеек и туннельными контактами с плотностью критических токов.

•у до 7000 Л/см" с помощью магнетронного напыления, фотолитографии и химического травления, термического осаждения и взрывной фотолитографии.

2. Модернизировать созданный в лаборатории СКВИД-магнигометр с целью повышения его чувствительности, а также температурной и временной стабильности. Автоматизировать сбор и обработку данных.

3. Экспериментально исследовать в зависимости от магнитною поля и температуры магнитные свойства .1-решеток с туннельными переходами, с разными конфигурациями контактов и различными критическими токами. Изучить особенности движения магнитного потока в регулярных джозефсоновских структурах с туннельными барьерами высокой прозрачности, исследовать кроссовер между областями с квазинепрерывным и квазидискретным характером движения флуксопов (квантов магнитного потока).

4. Изучить неустойчивости магнитного потока в исследуемой структуре, проявляющиеся в виде лавин, а также провести их статистический анализ. Уточнить условия возникновения состояния самоорганизованной критичности в таких структурах, что имеет прямое отношение к развитию катастрофических природных процессов.

Научная новизна:

1. Впервые предложено применение схемы модифицированного градиомегрд второго порядка для приемных катушек СКВПД-магнитометра, что позволило повысить стабильность в непрерывном режиме, а также уменьшить фоновый сигнал от держателя образца и микрофонный шум от образна.

2. Впервые на оригинальном СКВИД-магнитометре исследованы магнитные свойства джозефсоновских решеток с регулярной структурой, с высокой прозрачностью туннельных барьеров и высокими плотностями критических токов. Проведено сравнение экспериментальных кривых намагничивания с теоретическими кривыми, которое показало совпадение вплоть до деталей в квазигидродинамической области.

3. Впервые экспериментально наблюдались проявления самоорганизованной критичности в регулярных джозефсоновских структурах.

4. Впервые получены статистические данные по лавинам магнитного потока, которые ясно показали существование двух участков с различной степенной зависимостью частоты появления лавин от их амплитуд. Обнаружен резкий кроссовер, когда показатель степени меняется от значения -0.7 до -9.

Практическая ценность.

Явления джозефсоновской генерации в, 1-решетке и работа джозефсоновских логических элементов тесно связаны с динамикой магнитного потока, поэтому изучение магнитных свойств .1-решетки будет способствовать лучшему пониманию путей решения проблем при создании источников джозефсоновско-го излучения достаточной мощности, а также компьютеров нового поколения.

Структура диссертации.

В нерпой главе, в п. 1.1 дано описание физических принципов, лежащих в основе свойств джозефсоновских контактов. В и. 1.2 проведен обзор теоретических работ, посвященных исследованию магнитных и транспортных свойств регулярных джозефсоновских структур. В п. 1.3 проведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных исследованию явления самоорганизованной критичности (СОК). В конце обзора дана постановка задачи.

Во второй главе, п. 2.1 описаны методики изготовления джозефсоновских решеток и экспериментального измерения вольт-амперных характеристик, критического тока отдельного контакта и тока депиннинга в решетке контактов. В п. 2.2 описаны методики измерения зависимости магнитного момента от температуры и внешнего. магнитного поля. Подробно рассматриваются методики измерения транспортных свойств и магнитных характеристик образцов, рассматриваются проблемы, с которыми пришлось столкнуться при проведении эксперимента, и методы их разрешения. Обсуждаются вопросы оптимизации приемных катушек трансформатора потока СКВИД-магиитометра, вопросы управления астатизмом системы соленоид — приемные кагушки.

В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования магнитной динамики решеток джозефсоновских переходов в режиме прямого намагничивания. Произведено сравнение и показано хорошее соответствие между экспериментальными и теоретическими кривыми намагничивания в гидродинамическом пределе. Проведен статистический анализ скачков намагничивания (лавин магнитного потока), и показано, что динамика джозефсоноп-ской решетки в режиме больших критических параметров соответствуетсостоянию СОК.

В заключении сформулированы основные выводы данной работы.

Ha mmnTv иыносятся:

1. Результаты исследования вопроса оптимизации приемной системы СКВПДмагнитометра и экспериментальной реализации полученных выводов.

2. Результаты измерений вольт-амперных характеристик джозефсоновских контактов, и полученные температурные зависимости критических токов.

3. Результаты измерений магнитного момента джозефсоновских решеток в режиме прямого намагничивания при различных температурах.

4. Результаты исследования статистических свойств лавин магнитного потока в джозефсоновских решетках с туннельными контактами.

Апрооапия. Материалы диссертации были представлены на международных конференциях: Euro-Asian symposium «Trends in magnetism», Ekaterinburg, Russia, 27 February- 2 March, 2001; Moscow International Symposium on Magnetism, Moscow, June 20−24, 2002; 23rd International Conference on Low Temperature Physics. Hiroshima, Japan August 20−27, 2002; Vl-bilateral Russian-German symposium «Physics and chemistry of advanced materials», Novosibirsk, August 18−27, 2002; 2nd International Conference Physics of Liquid Matter: Modern Problems. Kyev, Sept. 12−15, 2003; 2nd Euro-Asian Symposium «Trends in Magnetism» Kiren-sky Institute of Physics, Krasnoyarsk, 24−27 August, 2004; 1-я Международная конференция «Фундаментальные проблемы высокотемпературной сверхпроводимости» (ФПС'04) 18−22 Октября 2004, Москва, а также на 32 Всеросс. совещание по физике низких температур, тезисы докладов секции SC: «Сверхпроводимость», Казань, 3−6 октября 2000; XXXIII совещании, но физике низких температур, Екатеринбург, 17−20 июня, 2003. Результаты опубликованы в центральных и зарубежных журналах [1−5] Всего по теме диссертации опубликовано 19 работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Джозефсоновские сетки обладают рядом преимуществ в качестве модельного объекта для экспериментального изучения СОК. В этой модели молено легко изменять внутренние и внешние условия и изучать их влияние на характеристики СОК, на что недавно указал один из создателей теории самоорганизованной критичности Курт Визенфельд [59]. Данная экспериментальная модель дает возможность расчетов магнитной динамики. -сетки на основе хорошо развитых представлений и позволяет проверить адекватность применяемых при этом подходов.

Вынесенные на защиту работы пока остаются единственными, где исследовалось поведение магнитного момента при непрерывном намагничивании регулярных .1-решеток. При этом в динамике магнитного потока в них наблюдались проявления СОК в виде лавин флуксонов, имеющих степенные зависимости вероятности появления лавин от их размеров, а также спектр. Следует отметить, что это явление было также обнаружено недавно в поликристаллических ииобиевых пленках [112] и [75], практически одновременно с первой нашей работой 2000 года по наблюдению СОК в джозефсоновской решетке [2]. По утверждению авторов работы [112] у них наблюдалась степенная зависимость распределения при изменении амплитуд от 1 до 100, хотя проведенная, но точкам зависимость в двойном логарифмическом масштабе является скорее выпуклой кривой, нежели прямой. Авторы работы [75] утверждают, что они наблюдали экспоненциальную зависимость функции распределения, в связи с чем они ассоциируют с самоорганизованной критичностью именно такой вид зависимости. На самом деле многие расчетные модели дают подобное распределение по амплитудам, которое выглядит в двойном логарифмическом масштабе скорее выпуклой кривой с завалом при больших амплитудах, чем прямой (например, [84]).

Отсутствие экспериментальных работ по магнитным свойствам джозефсо-новских решеток в мировой литературе, видимо, связано с трудностями прецизионных измерений деталей поведения малых магнитных моментов, какими обладают исследованные решетки, и трудностями прямых измерений в режиме развертки поля. Необходимо также преодолеть большие технологические сложности для изготовления джозефсоновских переходов с высокими плотностями критические токов. Вследствие этого полученные результаты до сих пор остаются уникальными.