СЛАБАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

СЛАБАЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ

- совокупность явлений, происходящихв слабосвязанных сверхпроводящих системах (неоднородных сверхпроводящихструктурах), содержащих узкие (в направлении протекания тока) области либообласти, у к-рых сверхпроводимость отсутствует или сильно подавлена. Термин«С. с.» введён Ф. Андерсоном (Ph. Anderson, 1964), т. к. критическийток и критическое магнитное поле в слабосвязанных сверхпроводникахзначительно 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, точечныхконтактах, гранулиров. сверхпроводниках, состоящих из большого числа джозефсоновскихконтактов (рис. 1).

Рис. 1. Слабосвязанные сверхпроводники различных типов: а - туннельныйджозефсоновский контакт; б - точечный контакт; в - тонкоплёночный мостик;г - мостик переменной толщины; д - плёнка из сверхпроводника с узкой полоскойнормального металла; е - две близко расположенные плёнки, нанесённые наплёнку из нормального металла или из сильнолегарованного полупроводника.

Впервые С. с. наблюдали в туннельных контактах. В таких структурах электронымогут проходить через диэлектрич. барьер (см. Туннельный эффект), чтоприводит к возникновению одночастичного туннельного тока (одночастичноетуннелирование). Резкие изменения одночастичного тока, связанные с особенностямив плотности состояний сверхпроводников, проявляются на вольт-амперной характеристике(ВАХ) при напряжениях на контакте и где -значения сверхпроводящих щелей двух разл. сверхпроводников, образующихконтакт (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика туннельного контакта в случаеодночастичного 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 напряжениена нём V = 0, наз. критич. током контакта I _С. Полныйток 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 генерацииизлучения из контакта, либо к появлению ступенек на ВАХ при облучении джозефсоновскогоконтакта 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; Ф ₀ - квант магнитногопотока], то поле Н проникает в область контакта однородно, азависимость критич. тока от приложенного магн. поля описывается ф-цией, <характерной для фраунгоферовой дифракц. картины:

где Если напряжение отлично от нуля, то в присутствии магн. поля в контактемогут 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 джозефсоновскихвихрей (нитей магн. потока, магн. поле в к-рых экспоненциально спадаетна 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 контактаджозефсоновской фазы или плотности критич. тока, связанные с локальныминеоднородностями туннельного контакта (структурные флуктуации), приводятк искажению фраунгоферовой зависимости критич. тока от магн. поля. С др. <стороны, на контакте может возникнуть разность потенциалов при токе, меньшемкритического, связанная со случайным изменением джозефсоновской фазы вовремени. Вероятность таких скачков фазы возрастает с увеличением темп-ры, <но при низких темп-pax возможно макроскопич. квантовое туннелирование (существуетненулевая 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 контактовс прослойкой из нормального металла возможна несинусоидальная зависимостьджозефсоновского тока I от .

В структурах с непосредств. сверхпроводимостью (рис. 1,б - г), в отличиеот обычного туннельного контакта, малость джозефсоновского тока определяетсяне слабой проницаемостью диэлектрич. барьера (для куперовских пар), а возрастаниемплотности тока в области слабой связи (рис. 1,б - г )либо нарушениемкорреляции электронов в нормальном металле (рис. 1, д, е). В такихструктурах наблюдается неравновесная С. с., обусловленная изменением ф-циираспределения электронов по энергиям. Это приводит к возрастанию критич. <тока слабосвязанных систем в СВЧ-поле и к избыточному току при большихнапряжениях (ВАХ системы отличается от закона Ома,, где I _ех - избыточный ток, R - сопротивлениеконтакта в нормальном состоянии). В контактах с полупроводниковой прослойкойвозможно изменение критич. параметров, связанных с изменением туннельнойпрозрачности барьера. На прозрачность барьера сильно влияет концентрациясвободных носителей заряда в полупроводнике, к-рую можно изменять как введениемпримесей, 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 резонансноготуннелирования (резкое возрастание прозрачности барьера при прохождениикуперовских 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, исследованиенеоднородностей и т. <д.), так и для практич. применений (сверхпроводящиеприёмники излучения, сквиды и т. д.).

Лит.: Асламазов Л. Г., Г у б а н к о в В. Н., Слабая сверхпроводимость, <М., 1982; Бароне А., П а т е р н о Д., Эффект Джозефсона: физика и применения, <пер. с англ., М., 1984; Лихарев К. К., Введение в динамику джозефсоновскихпереходов, М., 1985. М. В. Фистулъ.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.