Квантово-размерные эффекты и зарождение сверхпроводимости в гибридных структурах сверхпроводник – ферромагнетик Алексей Аладышкин Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 План • Краткое введение в теорию сверхпроводимости. Фазовая диаграмма. Уравнения Гинзбурга – Ландау. • Возвратная сверхпроводимость в планарных гибридных структурах «сверхпроводник-ферромагнетик» • Макроскопический управляемый квантово - размерный эффект • Визуализация неоднородных сверхпроводящих состояний • Заключение и контрольные вопросы Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Введение: фазовая диаграмма сверхпроводников При низких температурах возможно образование сверхпроводящего конденсата благодаря дополнительному взаимодействию электронов через колебания кристаллической решетки: Δ – энергия связи куперовской пары Критическая температура Tc сверхпроводящего перехода: Δ ~ kTc Критическая плотность тока jc и критическое поле Hc : Δ ~ Ekin Как определить форму кривой фазового перехода Tc = Tc(H) в неоднородном магнитном поле Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Введение: два класса сверхпроводников Сверхпроводники I рода – энергия N-S границы положительная, формирование сверхпроводящего состояния происходит путем фазового перехода первого рода Сверхпроводники II рода – энергия N-S границы отрицательная, формирование сверхпроводящего состояния происходит путем фазового перехода второго рода Фазовый переход «сверхпроводник II рода – нормальный металл» соответствует появлению нетривиального сверхпроводящего решения с бесконечно малой амплитудой Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Введение: феноменологическое описание Сверхпроводящий параметр порядка – комплекснозначная функция, определяющая локальную плотность «сверхпроводящих» электронов Функционал свободной энергии Гинзбурга-Ландау Энергия конденсации Самовоздействие Кинетическая энергия токов Энергия магнитного поля Уравнения Гинзбурга-Ландау Масштабы длины: ξ – длина когерентности, λ – глубина проникновения магнитного поля Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Введение: зарождение сверхпроводимости Пример сверхпроводящего зародыша в нормальной матрице Линеаризованное уравнение ГЛ Уравнение Шрёдингера Вывод: Сдвиг критической температуры сверхпроводящего перехода определяется уровнем основного состояния одноэлектронного уравнения Шрёдингера Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Введение: зарождение сверхпроводимости ( x, y) f ( x)eiky - общий вид решения для системы, однородной по оси х d f ( x) 1 Tc f ( x), U ( x) f ( x) 2 1 2 dx 0 Tc 0 2 2 U Ay ( x) k 0 2 2 B H , A Hx , U Hx k Однородное магнитное поле: z y 0 1 e| H | E n , Спектр Ландау: 2 mc 2 Tc |H | 1 (0) Tc 0 H c 2 Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Условия реализации возвратной сверхпроводимости Зарождение сверхпроводимости в нулевом внешнем поле Зарождение сверхпроводимости вблизи поля компенсации Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Зарождение сверхпроводимости в периодическом поле Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Управляемый квантово-размерный эффект Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Модификация магнитного состояния ферромагнетика Model MFM images T=300K Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Особенности магнитосопротивления сверхпроводящих структур «Классическая» сверхпроводимость «Возвратная» сверхпроводимость Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Экспериментальное определение критических параметров Пример зависимости сопротивления образца R от внешнего магнитного поля H, измеренной при постоянной температуре Критическое поле/температура определяется согласно критерию R(Tc,Hc)=α Rmax, где α=0.1, 0.5, 0.9 Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Контролируемое изменение Tc(H) для гибридных структур Al/ CoPt Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Контролируемое изменение Tc(H) для гибридных структур Al/ CoPt Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Конкуренция различных типов локализованной сверхпроводимости в мезоскопических гибридных структурах ES – прикраевая (поверхностная) сверхпроводимость DWS – сверхпроводимость на доменной стенке RDS – компенсированная сверхпроводимость над «обратными» доменами Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Визуализация неоднородной сверхпроводимости доменные стенки Вольтметр/ Lock-in Источник постоянного тока Индуцированное лазерным лучом падение напряжения y ∆V= ∆V(x,y,H,T,I,…) Материал: свинец Ширина мостика: 30 мкм Толщина мостика: 50 нм Tc0 = 7.2 К Hc2(0)= 2200 Э x Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 Контрольные вопросы • Уровни размерного квантования частицы в одномерной потенциальной яме с бесконечными стенками и в яме конечной высоты • Принцип неопределенности и энергия основного состояния частицы в одномерной и двумерной потенциальных ямах • Принцип расчета кривой фазового перехода S – N • Методы экспериментального определения кривой фазового перехода • Почему квантово-размерные эффекты наблюдаться на макромасштабах? в сверхпроводниках Образовательный семинар для аспирантов и студентов, ИФМ РАН, 24 февраля 2011 могут