^^^^^^^^^^^^ ПРИБОРЫ ^^^^^^^^^^^^
МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
538.945; 621.3.049.77
СУБМИКРОННЫЙ ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ ПЕРЕХОД КАК ДАТЧИК ТОКОВЫХ СОСТОЯНИЙ МЕЗОСКОПИЧЕСКОЙ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ СТРУКТУРЫ
© 2007 г. И. Н. Жиляев
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов Российской АН
E-mail: zhilyaev@ipmt-hpm.ac.ru Поступила в редакцию 20.10.2006 г.
При пропускании тока через цепочку, состоящую из двух джозефсоновских переходов субмикронных размеров и пленки микронных размеров, находящейся между ними, на зависимости напряжения от магнитного поля наблюдаются пилообразные осцилляции. Эффект объясняется изменением локального магнитного поля при входе вихрей в пленку и его влиянием на состояние джозефсоновских переходов.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2007, том 36, № 3, с. 172-177
УДК
В последние годы исследуются электронные состояния в сверхпроводящих структурах, представляющих интерес с точки зрения создания ку-битов. В [1, 2] были предложены структуры из двух близких по размерам сверхпроводящих колец, связанных джозефсоновскими переходами. В [1] одна из таких структур была реализована на основе алюминиевой пленки. В ней имелись также два дополнительных последовательно включенных джозефсоновских перехода.
Первые измерения гальваномагнитных свойств структуры вблизи температуры сверхпроводящего перехода выявили необычные скачкообразные осцилляции магнетосопротивления с периодом, соответствующим целому числу квантов магнитного потока через площадь кольца [1]. Были предложены объяснения: на основе взаимодействия токовых состояний в кольцах и образования нового делокализованного состояния [1]; на основе скачкообразных изменений направлений циркуляционных токов в каждом из колец и их влиянием на резистивное состояние связывающих кольца джозефсоновских переходов [3].
Проведенные с целью проверки второй версии измерения при более низких температурах показали, что осцилляции наблюдаются и в условиях, когда напряжение могло возникать только на дополнительных переходах. Это указывает на то, что сигнал формируется в дополнительных переходах, а не в джозефсоновских переходах, связывающих кольца, т.е. токовые состояния в связанных кольцах каким-то образом воздействуют на состояния двух дополнительных джозефсоновских переходов. Возможными механизмами влияния могут быть эффекты близости, связанные с длиной когерентности [4], с неравновесностью на
границе между нормальным металлом и сверхпроводником [5].
В данной работе для выяснения каналов взаимодействия туннельных переходов и токовых состояний в сверхпроводящих кольцах было решено изготовить цепочку, состоящую, как и в [1.3], из двух последовательных джозефсоновских переходов и тестовой структуры в средине вместо связанных колец, для которой известен закон изменения циркуляционных токов при изменении приложенного магнитного поля Н, а затем выяснить предполагаемое влияние токов на состояние дополнительных переходов. В качестве такой структуры можно взять алюминиевый диск радиуса порядка микрона, в который, как было хорошо изучено в [6] с помощью измерений методом холловской магнитометрии при температурах около 0.4 К, при увеличении приложенного магнитного поля, начиная с некоторого, скачкообразно входят вихри, которые являются циркуляционными токами того же порядка величины, что и возникающие в кольцах нашей структуры.
Используя технологию электронной литографии изготовления джозефсоновских структур методом напыления под двумя разными углами [7] с промежуточным окислением алюминия для создания джозефсоновского барьера, примененную нами ранее [1] для изготовления кольцевых структур, содержащих джозефсоновские переходы, мы изготовили несколько структур (рис. 1) в виде цепочки, состоящей из двух джозефсоновских переходов и пленки в форме квадрата между ними (аналог диска в работе [6]) с размерами сторон около двух микрон.
Измерения напряжения проводились в поперечном поле до 5 мТ при температуре Т = 0.32К, близкой к той, при которой проводились измере-
СУБМИКРОННЫЙ ДЖОЗЕФСОНОВСКИЙ ПЕРЕХОД
173
Рис. 1. Электронномикроскопическая фотография одной го 32 нм.
ния [6]. Чтобы избежать влияния измерительного тока на сверхпроводящее состояние пленки, использовались, по возможности, малые токи величиной несколько нА. Практически измерительные токи были 5 нА и выше, поскольку при более низких токах не удавалось перевести джозефсо-новские переходы в состояние с напряжением. Конечно, при использовании метода [7] приготовления структуры квадратная пленка получалась двуслойной, но мы надеялись, что это существенно не изменит, по сравнению с однослойной, процесс проникновения вихрей в нее. Механизм скачков, предложенный в [3], в данном случае не должен иметь места, поскольку пленочная структура между джозефсоновскими переходами при малых токах будет находится в сверхпроводящем состоянии. На рис. 2 приведена одна из записей вольт-амперной характеристики структуры (рис.1). Ее вид соответствует двум джозефсоновским переходам включенным последовательно: при увеличении тока видны два скачка напряжения, соответствующие по величине двум сверхпроводящим щелям алюминия. При уменьшении тока наблюдается гистерезис. От записи к записи вольт-амперная характеристика воспроизводилась с тем только исключением, что скачки напряжения происходили при разных токах случайным образом.
При заданном токе через структуру в условиях, когда один или оба перехода находились в со-
из структур. Толщина первого слоя алюминия 20 нм, второ-
стоянии с напряжением, на зависимости напряжения от увеличивающегося приложенного магнитного поля, начиная с некоторого, наблюдались пилообразные последовательности максимумов (рис. 3), вид которых подобен наблюдавшимся в [6], что указывает на то, что джозефсоновские переходы регистрируют при увеличении приложенного магнитного поля скачкообразное вхождение вихрей в пленку.
При варьировании времени развертки наблюдаемая зависимость воспроизводилась с точностью до амплитуды шумов, которые не превышали 1 мкв. При уменьшении приложенного поля, как и в работе [6], наблюдался гистерезис. Меньшая упорядоченность последовательности максимумов по сравнению с зависимостями в [6] связана, возможно, с обусловленной технологией [7] двуслойностью квадратной пленки.
Характерное поле первого скачка, а также типичное расстояние между скачками близки к соответствующим величинам для дисков того же размера, измеренным в [6]. Выяснилось также, что, как и в [6], пленке большего масштаба соответствует меньшее характерное поле первого скачка (рис. 4) и более частые скачки при изменении поля. Масштаб скачков по магнитному полю для пленок разных размеров соответствует кванту магнитного потока через соответствующую пленку.
Ток, нА
Рис. 2. Вольтамперная характеристика структуры, геометрия которой приведена на рис.1, измеренная при температуре Т = 0.32 К.
Напряжение, мВ
Рис. 3. Зависимость напряжения от приложенного магнитного поля для структуры, данные для которой приведены на рис. 1 и 2, при увеличении и уменьшении поля, измеренная при температуре Т = 0.32 К при пропускании постоянного тока I = 6 нА в условиях, когда один из переходов находился в резистивном состоянии.
СУБМИКРОННЫИ ДЖОЗЕФСОНОВСКИИ ПЕРЕХОД Напряжение, мВ 0.40
0.39
0.38
0.37
0.36
0.35
0.34
0.33
0
5
Поле, мТ
Рис. 4. Зависимости напряжения от магнитного поля для двух структур, отличающихся только латеральными размерами пленок, измеренные при увеличении приложенного магнитного поля при температуре Т = 0.32К при пропускании постоянного тока I = 6 нА в условиях, когда один из переходов находился в резистивном состоянии. Нижняя зависимость соответствует размеру пленки 2.3 мкм х 2.8 мкм, а верхняя зависимость - размеру 2 мкм х 2.5 мкм. Расчетные зависимости для тех же структур для диапазона магнитных полей от нуля до поля первого скачка, а также расчетные величины первого скачка. Для удобства рассмотрения измеренная и рассчитанная зависимости для пленки меньшей площади сдвинуты вверх на 0.02 мВ.
Гистерезис на зависимости напряжения от тока (рис. 2) позволил измерить при одном и том же токе и сравнить величины скачков на зависимостях напряжения от магнитного поля при вхождении первого вихря для ситуации, когда только один или когда оба перехода находились в состоянии с напряжением. Оказалось, что для одинаковых токов через структуру амплитуда скачка в условиях, когда два перехода были в состоянии с напряжением, была в два раза больше, чем амплитуда скачка, когда только один переход был в таком состоянии, т.е. эффект влияния скачка, обязанного вхождению первого вихря на расположенные симметрично относительно пленки и последовательно включенные одинаковые переходы складывается. Это указывает также на то, что первый вихрь располагается в пленке симметрично, занимает всю пленку, а его ток течет по краю пленки.
О возможных каналах влияния вхождения вихрей на состояние джозефсоновских переходов. Эффект близости [4] не может быть ответственен за наблюдаемый эффект, поскольку он существенен на расстоянии не более длины когерентности, которая в наших структурах при данных условиях измерения, как и в [6], близка к 0.2 мкм, а расстояние вдоль проводящей дорожки от края
пленки до джозефсоновских переходов составляет большую величину 0.3 мкм.
В данной алюминиевой структуре, вообще говоря, может присутствовать дополнительное сопротивление, связанное с неравновесностью на границе нормальный проводник-сверхпроводник [5], поскольку такую границу могут формировать квазичастицы, генерируемые джозефсоновским переходом. Оценка дополнительного сопротивления дает величину порядка десятков Ом, т.е. его вклад в данном случае вряд ли может быть определяющем, поскольку типичная величина скачка на зависимости напряжения от магнитного поля У(И) при пересчете в сопротивление соответствует величине порядка 1 кОм.
Еще одним каналом влияния на состояние джозефсоновских переходов может быть локальное магнитное поле циркуляционных токов. Известно, что магнитное поле уменьшает сверхпроводящую щель и это обстоятельство используется для измерения в сверхпроводни
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.