Экспериментальное исследование кинетических магнитных эффектов в висмуте и алюминиевых сверхпроводящих микроструктурах

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию эффектов возникновения циркуляционных токов и их компонентов (ЦТ) в монокристаллах висмута и сверхпроводящих алюминиевых структурах, а также механизмов их проявления в виде возникновения дополнительных магнитных полей от них и дополнительных Э.Д.С., вызванных ими же.

О причинах начала исследований.

1)Первотолчком к началу работ по изучению ЦТ стали наши измерения продольных термоЭ.Д.С. высококачественных висмутовых монокристаллов [1]. При измерениях в магнитном поле выяснилось, что Э.Д.С. не равны по абсолютной величине для противоположных направлений магнитного поля. Обсуждение этой проблемы привело к мысли, что такое неравенство связано, по-видимому, с возникновением циркуляционных токов в образце. Просмотр литературы показал, что несмотря на несколько механизмов возникновения ЦТ, указанных в теоретических работах, для самых общих условий пропускания стационарного теплового потока и тока по образцу экспериментальное изучение этой области только начинается, хотя роль и место ЦТ в кинетических свойствах твердого тела может быть велико.

2)Возникновение ЦТ может существенно сказаться на работе термоэлементов [2,3].

3)Эффекты возникновения ЦТ могут быть использованы в твердотельной электронике при проектировании микрокалориметров [2,3].

4)В сверхпроводниках ЦТ возникают как экранирующие мейснеровские токи. Наиболее актуальным направлением их исследований в последние годы является изучение проявления таких токов в мезоскопических кольцевых структурах, поскольку механизмы проявления квантующихся ЦТ в сверхпроводящих структурах могут стать основой создания новых приборов на квантовых эффектах.

Таким образом актуальность экспериментальных исследований механизмов возникновения и проявления ЦТ обусловлена как их влиянием на уровень фундаментальных знаний об электронной кинетике твердого тела, так и влиянием на уровень прикладных исследований в области твердотельной электроники, микрои наноэлектроники, приборов на квантовых эффектах.

Целью работы была экспериментальная проверка известных из теоретических работ механизмов возникновения и проявления циркуляционных токов в твердом теле и сверхпроводящих микроструктурах, а также поиск новых механизмов в самых общих условиях пропускания стационарных токов и тепловых потоков.

В качестве объектов исследования были использованы высококачественные монокристаллы висмута и сверхпроводящие структуры на основе алюминия. Поскольку эффекты токовые, в нормальных проводниках их нужно искать в условиях, где выше проводимость, т. е. в металлах при низких температурах в чистых совершенных образцах, где невелико рассеяние носителей заряда. Нужно также отметить, что кинетические магнитные эффекты, обусловленные магнитными полями, лучше проявляются в проводниках, имеющих носители заряда с небольшими эффективными массами, поскольку для них ларморовский радиус существенно меньше. Эти обстоятельства оптимально сочетаются в чистых совершенных монокристаллах висмута. В некоторых направлениях величина эффективных электронных масс достигает одной сотой от массы свободного электрона. К тому же часть предложенных эффектов ЦТ связана с анизотропией, а висмут сильно анизотропен. Дополнительным преимуществом висмута является то, что в нем концентрации электронов и дырок равны и вследствие этого возможно наблюдение плазменных эффектов. Данные по электронным свойствам висмута приведены в обзорах [4,5]. В процессе работы удалось получить чистые совершенные монокристаллы висмута, судя по литературным данным, лучшие в мире, что и позволило получить качественно новые результаты. В качестве материала для изготовления сверхпроводящих структур использовался алюминий, поскольку длина когерентности Е, о у него несколько больше 1 мкм и аномально велика по сравнению с другими сверхпроводниками, что облегчало задачу приготовления структур мезоскопического масштаба методами электронной литографии. Область исследований (сверхпроводящий переход алюминия в окрестности Т = 1.2 К) достигалась откачкой паров гелия при работе с криостатом на Не4.

Научная новизна работы определяется тем, что впервые экспериментально обнаружен и исследован целый ряд, как предсказанных теоретически, так и неизвестных ранее механизмов возникновения и проявления циркуляционных токов в твердом теле и сверхпроводящих микроструктурах. Всю совокупность наблюдаемых кинетических свойств твердых тел можно описать так: при приложении к образцу электрических полей (или при пропускании электрического тока), градиентов температуры (или пропускании тепла) и приложении магнитных полей в нем возникают компоненты электрических полей и градиентов температуры, что можно представить символически в виде:

ЕьУТ^Нк) -> (ЕьУТт).

Но если учесть возникновение циркуляционных компонент токов, которые могут порождать заметные магнитные поля, то справа нужно добавить магнитное поле:

Е-, У^, Нк) (Е1,УТт, Нп).

Т.е. образцы могут проявлять своеобразные магнитные свойства кинетической природы. Важно отметить: кроме того, что Нп возникает и присутствует само по себе, оно к тому же может существенно влиять на другие измеряемые кинетические характеристики. Обнаруженные эффекты и проведенные экспериментальные исследования новых явлений возникновения и проявления циркуляционных токов могут рассматриваться как новое направление: кинетический магнетизм.

В результате исследований получены следующие новые результаты, выносимые на защиту:

I.Впервые наблюдался целый ряд эффектов возникновения циркуляционных токов в высокосовершенных монокристаллах висмута при пропускании по образцам электрического тока и теплового потока:

1.При пропускании радиального потока тепла по образцу приложенное осевое магнитное поле может ослабляться или усиливаться в несколько раз (кинетический магнетизм Гуревича).

2.При пропускании электрического тока и приложении продольного магнитного поля образец проявляет парамагнитные свойства вследствие раскомпенсации при наложении магнитного поля системы токовых доменов, возникающих в поперечном сечении образца из-за наличия анизотропии.

При приложении поперечного магнитного поля наблюдалась осцилляционная зависимость продольного магнитного потока от азимутального угла, связанная также с раскомпенсацией доменов.

3.При пропускании продольного теплового потока и приложении продольного магнитного поля образец проявляет парамагнитные свойства. Эффект связан с возникновением продольных электрических токов в образце, замкнутых на его концах, вызванных увлечением носителей заряда фононами и взаимодействием квазичастиц с границами образца. Эти электрические токи и дают парамагнитный эффект как и при непосредственном пропускании тока через образец.

4.При пропускании теплового потока в поперечном магнитном поле образец проявляет парамагнитные свойства, связанные с раскомпенсацией замкнутых токов увлечения. Обнаружено неравенство продольных Э.Д.С., связанное с замкнутыми токами, как на разных гранях образца, так и на каждой из граней при переполюсовке магнитного поля.

5.При пропускании достаточно большого теплового потока в поперечном магнитном поле образец проявляет диамагнитные свойства, связанные с заметной зависимостью поперечной Э.Д.С.

Нернста-Эттинсгаузена вдоль образца, вызванной температурной неоднородностью.

6.При пропускании нестационарного теплового потока вдоль образца и наложении продольного магнитного поля в нем возникает волна намагниченности. Эффект вызван раскомпенсацией орбит носителей заряда в электронно-дырочной плазме висмута под действием волны второго звука.

Измерение температурной зависимости этого эффекта, а также теплопроводности выявили наличие эффекта Пуазейлева течения в фононной системе висмута, второго после твердого гелия вещества, где удалось наблюдать этот эффект.

7. При пропускании достаточно большого тока по образцу в поперечном магнитном поле в нем наблюдается возникновение электромагнитного излучения, распространяющегося от одного конца образца к другому с экспоненциально нарастающей амплитудой. Эффект связан с неустойчивостью, предсказанной ранее Азбелем.

8.При пропускании достаточно большого теплового потока по образцу, находящемуся в поперечном магнитном поле, и возбуждении электромагнитных колебаний у торца наблюдается распространение и усиление этих колебаний. Эффект связан с возникновением продольных ЦТ в образце и с неустойчивостью этих токов по механизму Азбеля.

II.В сверхпроводящих кольцах в магнитном поле возникают квантующиеся циркуляционные токи. Удалось наблюдать ряд новых осцилляционных эффектов, связанных с наличием таких токов, в зависимости сопротивления алюминиевых структур от магнитного поля в области сверхпроводящего перехода:

— инверсные по отношению к эффекту Литтла-Паркса осцилляции, эффект связан с дополнительным сопротивлением на границе нормальный металл — сверхпроводник в условиях неравновесности;

— «гигантские» осцилляции сопротивления в структуре кольцо — слабая связь, эффект связан с тем, что в условиях нелокальности осциллирующая критическая температура кольца управляет критической температурой слабой связи;

— скачкообразные резистивные осцилляции в структуре двух колец, соединенных слабыми связями. Эффект вызван скачкообразным изменением направления квантующихся токов в кольцах при магнитных полях, соответствующих сумме целого числа и половины кванта магнитного потока через площадь кольца.

Результаты проведенных исследований представляют практическую ценность, поскольку должны учитываться и, возможно, найдут применение при разработке датчиков, термоэлементов, новых приборов на квантовых эффектах (транзисторов, СКВИДов, кубитов квантового компьютера).

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: на 23 Всесоюзном совещании по физике низких температур (Таллин, 1984), на 6 Международном симпозиуме «Чистые вещества в науке и технологии» (ГДР, Дрезден, 1985), на 29 Совещании по физике низких температур (Казань, 1992), на Международной конференции по фононному рассеянию (США, Итака, 1992), на Международном симпозиуме «Наноструктуры: физика и технология» (Санкт Петербург, 1997), на Международной конференции по твердотельным приборам и материалам (Япония, Хамамацу, 1997), на Международной конференции по прикладной сверхпроводимости (США, Пальм Десерт, 1998), на Международной конференции по сверхпроводящей электронике (США, Беркли, 1999), на Международной конференции по вихревому состоянию в сверхпроводниках (Греция, Крит, 1999), на шведско-российской конференции по металлической наноэлектронике (Швеция, Лунд, 1999) — на научных семинарах в ИФТТ РАН, ИПТМ РАН, ВЭИ (Москва), Норвежском университете науки и технологии (Норвегия, Трондхейм).

Публикации по теме диссертации:

1. И. Н. Жиляев. Наблюдение кинетического диаи парамагнетизма в висмуте. Письма в ЖЭТФ, 1981, т. ЗЗ, в.5, с.270−273.

2. И. Н. Жиляев. Наблюдение кинетического парамагнитного эффекта в висмуте. Письма в ЖЭТФ, 1984, т.40, в. З, с. 104−105.

3. И. Н. Жиляев. Циркуляционные токи при пропускании теплового потока по образцу висмута при гелиевых температурах. 23 Всесоюзное совещание по физике низких температур. Таллин, 1984. Тезисы докладов, ч.2, с. 166.

4. И. Н. Жиляев. Наблюдение циркуляционных компонент тока в висмуте в магнитном поле. Письма в ЖЭТФ, 1985, т.41, в.8, с.352−354.

5. И. Н. Жиляев. Циркуляционные токи в чистых совершенных монокристаллах висмута при пропускании по ним теплового потока.

6-й Международный симпозиум «Чистые вещества в науке и технологии», ГДР, Дрезден, 1985. Тезисы докладов, с. 406.

6. И. Н. Жиляев. Кинетический диаи парамагнетизм при пропускании теплового потока по образцу висмута. ФТТ, 1985, т.27, в. 10, с.2892−2895.

7. И. Н. Жиляев. Наблюдение кинетического парамагнитного эффекта в висмуте в поперечном магнитном поле. ФНТ, 1988, т. 14, в.8, с.915−919.

8. И. Н. Жиляев. Волна намагниченности в висмуте, индуцированная волной второго звука. Письма в ЖЭТФ, 1989, т.49, в.8, с.443−445.

9. И. Н. Жиляев. Наблюдение кинетического диамагнитного эффекта в висмуте. ФНТ, 1989, т.15, в.10, с.1084−1086.

10. И. Н. Жиляев. Волна намагниченности в висмуте индуцированная тепловой волной в условиях фононной гидродинамики. 29 Совещание по физике низких температур. Казань, 1992. Тезисы докладов, ч.2, Э61.

11. И. Н. Жиляев. Неустойчивость тока в висмуте в магнитном поле. 29 Совещание по физике низких температур. Казань, 1992. Тезисы докладов, ч.2, Э62.

12.1.N.Zhilyaev. Magnetization induced by heat flow in bismuth.

Conference on Phonon Scattering. USA, Ithaca, 1992. Abstracts, p.67.

13. И. Н. Жиляев. Неустойчивость тока в монокристаллах висмута в поперечном магнитном поле. Письма в ЖЭТФ, 1992, т.55, в. 12, с.727−730.

14.1.N.Zhilyaev. Induced Magnetism in Bismuth by Heat Flow Under Conditions of Phonon Hydrodynamics. In book: «Phonon Scattering in Condensed Matter 7» Springer-Verlag, 1993, p.147−148.

15. И. Н. Жиляев. Усиление электромагнитных колебаний в висмуте в присутствии теплового потока. ФНТ, 1993, т. 19, № 12, с. 1351−1353.

16.1.N.Zhilyaev, I.A.Sosnin, P. Tuset and K.Fossheim. Novel Resistive Quantum Oscillations in Superconducting Aluminum Microstructures. Phys.Rev.B, 1996, v.54, N14, p. R9658−9661.

17.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin. Magnetoresistance oscillations in ring-tunnel junction structure. International Symposium «Nanostructures: Physics and Technology.» Russia, St. Peterburg, 1997. Abstracts, p.25.

18.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin. Fabrication and Characterization of a RingTunnel Junction Quantum Electron Interferometer. International Conference on Solid State Devices and Materials. Japan, Hamamatsu, 1997. Ext. Abstracts, p.468.

19.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin. Fabrication and Characterization of a RingTunnel Junctions Quantum Electron Interferometer. Japanese Journal of Applied Physics, 1998, Vol.37, Part 1, No.3B (March), p. 1574−1575.

20.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin. Ring-Weak Link Superconducting Quantum Electron Interferometer. Applied Superconducting Conference. USA, Palm Desert, California, 1998. Abstracts, p.64.

21.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin. A Ring-Weak Link Superconducting Quantum Electron Interferometer. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1999, Vol.9, No. 2, p. 2909−2910.

22.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin. States in the structure of two rings.

International Superconductive Electronics Conference. USA, Berkeley, California, 1999. Extended Abstracts, p.431.

23.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin, and K.Fossheim. Step-like Oscillations in the Resistance of Two Weakly Linked Rings. ESF Euroconference on Vortex Matter in Superconductors. Greece, Crete, September, 18−24, 1999. Abstracts, p. 153.

24.1.N.Zhilyaev. Jumplike oscillations in aluminum ring — weak link structures under the conditions of singlelectronics. KVA-sponsored Sweden-Russia Workshop on Metallic Nanoelectronics. Sweden, Lund, October, 29−30, 1999, Abstracts, p. 14.

25. И. Н. Жиляев, С. Г. Боронин. Квантовый электронный интерферометр кольцо — слабая связь. Микроэлектроника, 2000, т.29, № 1, с.75−77.

26.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin, and K.Fossheim. Step-like Oscillations in the Resistance of Two Weakly Linked Rings. Physica C, 2000, Vol.332, No. 1−4, p.422−425. 27.1.N.Zhilyaev, S.G.Boronin, A.V.Nikulov, K.Fossheim. States in the structure of weakly connected superconducting rings. Квантовый компьютер и квантовые вычисления, 2001, т.2, № 1, с.49−53.

Структура диссертации Диссертация состоит из Введения, четырех глав и заключения, содержит '?CG страниц текста, 51 рисунок.

Список литературы

включает 50 ссылок.

Основные результаты, полученные в настоящей работе, можно сформулировать следующим образом.

1 .Впервые обнаружен и изучен кинетический магнетизм Гуревича: при пропускании радиального потока тепла по образцу висмута приложенное осевое магнитное поле может ослабляться или усиливаться в несколько раз.

2.Впервые обнаружен и изучен новый кинетический магнитный эффект при пропускании электрического тока по образцу: при приложении продольного магнитного поля монокристалл висмута проявляет парамагнитные свойства вследствие раскомпенсации при наложении магнитного поля системы токовых доменов, возникающих в поперечном сечении образца из-за наличия анизотропии. При приложении поперечного магнитного поля обнаружена осцилляционная зависимость продольного магнитного потока от азимутального угла, связанная также с раскомпенсацией доменов. 3. Обнаружен и изучен новый кинетический магнитный эффект при пропускании продольного теплового потока. При приложении продольного магнитного поля образец висмута проявляет парамагнитные свойства. Эффект связан с возникновением продольных электрических токов, замкнутых на концах образца и вызванных увлечением носителей заряда фононами и взаимодействием квазичастиц с границами образца. Эти электрические токи и дают парамагнитный эффект, как и при непосредственном пропускании тока через образец.

4,Обнаружен и изучен новый кинетический магнитный эффект при пропускании теплового потока. В поперечном магнитном поле образец висмута проявляет парамагнитные свойства, вызванные раскомпенсацией замкнутых токов увлечения. Обнаружено неравенство продольных Э.Д.С. на разных гранях монокристалла, связанное с замкнутыми токами.

5.Обнаружен и изучен новый кинетический магнитный эффект при пропускании достаточно большого теплового потока. В поперечном магнитном поле образец висмута проявляет диамагнитные свойства, связанные с заметной зависимостью поперечной Э.Д.С. Нернста-Эттинсгаузена вдоль образца, вызванной температурной неоднородностью. б. Обнаруженен и изучен новый кинетический магнитный эффект при пропускании нестационарного теплового потока. При наложении продольного магнитного поля в образце возникает волна намагниченности. Эффект вызван раскомпенсацией орбит носителей заряда в электронно-дырочной плазме висмута под действием волны второго звука.

Измерение температурной зависимости этого эффекта, а также теплопроводности выявили наличие эффекта Пуазейлева течения в фононной системе висмута, второго после твердого Не4 вещества, где удалось наблюдать этот эффект.

7.В висмутовом монокристалле с током в поперечном магнитном поле наблюдается возникновение электромагнитного излучения, распространяющегося от одного конца образца к другому с экспоненциально нарастающей амплитудой. Экспериментально показано, что эффект связан с механизмом неустойчивости, предсказанном Азбелем.

8.При пропускании достаточно большого теплового потока по образцу висмута, находящемуся в поперечном магнитном поле, и возбуждении электромагнитных колебаний у торца наблюдается распространение и усиление этих колебаний. Обнаруженный эффект связан с возникновением продольных токов в образце и с их неустойчивостью по механизму Азбеля.

9.Обнаружен ряд новых осцилляционных магнеторезистивных эффектов, связанных с наличием квантующихся циркуляционных токов в алюминиевых кольцевых структурах в области сверхпроводящего перехода:

— инверсные по отношению к эффекту Литтла-Паркса осцилляции, эффект связан с дополнительным сопротивлением на границе нормальный металл — сверхпроводник в условиях неравновесности;

— «гигантские» осцилляции сопротивления в структуре кольцо — слабая связь, эффект связан с тем, что в условиях нелокальности осциллирующая критическая температура кольца управляет критической температурой слабой связи;

— Скачкообразные резистивные осцилляции в структуре двух колец, связанных слабыми связями. Эффект вызван скачкообразным изменением направления квантующихся токов в кольцах при магнитных полях, соответствующих половине кванта магнитного потока через площадь кольца.

Таким образом, если всю совокупность наблюдаемых кинетических свойств твердых тел можно описать так: при приложении к образцу стационарных или нестационарных электрических полей ^ с, а или при пропускании электрического тока), градиентов температуры (или пропускании тепла) и приложении магнитных полей в нем возникают компоненты электрических полей и градиентов температуры, что можно представить символически в виде:

ЕьУТ^Нк) -> (ЕьУТт).

Но если теперь после проведенных исследований учесть возникновение циркуляционных компонент токов, которые могут порождать заметные магнитные поля, то справа нужно добавить магнитное поле: т, Нп).

Т.е. образцы могут проявлять своеобразные магнитные свойства кинетической природы. Важно отметить: кроме того, что Нп возникает и присутствует само по себе, оно к тому же может существенно влиять на другие измеряемые кинетические характеристики. Главным итогом работы является то, что обнаруженные эффекты и проведенные экспериментальные исследования новых явлений возникновения и проявления циркуляционных токов могут рассматриваться как новое направление: кинетический магнетизм.

Автор благодарен соавторам за сотрудничество, участникам семинаров, конференций за обсуждение, сотрудникам ИПТМ РАН за помощь при выполнении работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.