Магнитометры на сверхпроводящих квантовых интерферометрах Джозефсона

Магнитометры на С КВИДах(сверхпроводящих квантовых интерферометрах Джозефсона) · Сверхпроводимост ь. Основные свойства и параметры сверхпроводников. Вообщ е, сверхпроводимость – это явление резкого возрастания электропровод имости материала, при некоторой температуре, близкой к абсолютному нулю . Такая температура называется критической температурой перехода в све рхпроводящее состояние (Т к ). Явление сверхпроводимости найдено у более чем 20 металлов и большого количества соединений и сплавов (Т к Ј 23К), а та кже у керамик (Т к > 77,4К – в ысокотемпературные сверхпроводники). Сверхпроводимость материалов с Т к Ј 23К объясняется наличием в веществе пар электронов, обладаю щих энергией Ферми, с противоположными спинами и импульсами(пары Купера ), которые образуются благодаря взаимодействию электронов с колебаниям и решетки. Образуются единый сверхпроводящий конденсат, так как вс е пары электронов находятся, с точки зрения квантовой механики, в одном с остоянии (они не подчиняются статистике Ферми т.к. имеют целочисленный с пин) и согласованы между собой по всем физическим параметрам Сверхпроводимость керамик можно объяснить взаи модействием электронов с какими-либо другими квазичастицами. Сверхпроводники бывают I и II рода, это определяетс я взаимодействием с магнитным полем. Если при помещении сверхпроводник а в магнитное поле, он “выталкивает” последнее так, что магнитная индукц ия внутри сверхпроводника равна нулю, то это сверхпроводник I рода. Чтобы описать свойства сверхпроводников II рода, воспользуемся понятием крити ческого магнитного поля Н к . Критическое магнитное поле Н к – это напряженность магнитного поля, при которо м разрушается сверхпроводимость и поле проникает внутрь проводника. У с верхпроводников второго рода существует промежуток напряженности маг нитного поля Н к2 >Н>Н к1 (Н к1 – нижнее критическое поле, Н к2 – верхнее критическое поле), где индукция проводника в сверхпроводящем состоянии, меньше индукции пров одника в нормальном состоянии. При условии Н < Н к 1 – индукция в сверхпроводнике второго рода равн а нулю, а при Н > Н к2 – свер хпроводимость нарушается. Через идеальные сверхпроводники второго род а можно пропускать ток силой: (критический ток). Это мож но объясняется тем, что поле, создаваемое током, превысит Н к1 , силовые линии магнитного поля, з арождающиеся на поверхности образца, под действием сил Лоренца, двигают ся внутрь образца с выделением тепла, что и приводит к переходу проводни ка в нормальное состояние. Таблица 1 T k , Н к1 , Н к2 некоторых металлов и соединений Вещество Т к , К m 0 Н к1 , Тл m 0 Н к2 , Тл Pb 7.2 0.55 Nb 9.2 0.13 0.27 Te 7.8 V 5.3 Ta 4.4 Sn 3.7 V 3 Si 17.1 23.4 Nb 3 Sn 18.2 24.5 Nb 3 Al 18.9 Nb 3 Ga 20.3 34.0 Nb 3 Ge 23.0 37.0 (Y 0.6 Ba 0.4 ) 2 CuO 4 96 160 ± 20 Y 1.2 Ba 0.3 CuO 4-8 102 18 при 77К · Э ффект Джозефсона. Сущес твует такое явление как туннелирование (переход с одного энергетическо го уровня на другой без изменения энергии) куперовских пар. Оно состоит в том, что если два сверхпроводника соединить друг с другом “слабым” конта ктом, например очень тонкой полоской из диэлектрика, через него пойдет т уннельный сверхпроводящий ток. Поэтому получается что обе системы свер хпроводников связаны между собой. Эта связь очень слабая, потому что мал а вероятность туннелирования куперовских пар даже через очень тонкий с лой изолятора. Существование такой связи приводит к тому, что в следствии процесса обмена куперовскими парами состояние обеих систем изменяется во времени. При этом интенсивность и направление обмена опре деляется разностью фаз волновых функций между системами. Если разность фаз j = j 1 - j 2 , тогда из квантовой механики след ует формула: . Энергии в точках по одну и другую сторону барьера Е 1 и Е 2 могут о тличаться только если между этими точками существует разность потенци алов U s . В этом случае . Если сверхпроводники связаны между собой с одно й стороны и разделены слабым контактом с другой, то напряжение на контак те можно вызвать, меняя магнитный поток внутри образовавшегося контура. При этом . Учитывая, что квант потока и поток Ф через контур может быть лишь nФ 0 , где n=0, ± 1, ± 2, ± 3,... Джозефсон предсказал, что Где I s – ток через контакт, I c – максимальный постоянный джозефсоновский ток через кон такт, j -- разность фаз. Из уравнений (1), (2) следует Сверхпроводящим током контура можно управлять магнитным полем, потому что на фазовое соотношение между системами влия ет магнитное поле. В большинстве случаев используется не один джоз ефсоновский контакт, а контур из нескольких контактов, включенных парал лельно, так называемый сверхпроводящий квантовый интерферометр Джозеф сона (СКВИД). Величина магнитного поля, необходимого для управления токо м, зависит от площади контура и может быть очень мала. Поэтому СКВИДы прим еняют там, где нужна большая чувствительность. Рис. 1 Контакты Джозефсона · Магнитометр Магни тометр – это прибор на основе джозефсоновских переходов, применяющийс я для измерения магнитного поля и градиента магнитного поля. В магнитоме трах используются СКВИДы 2х типов: на постоянном и переменном токах. Рис. 2 Магнитометр на СКВИДах постоянного тока Если к такому кольцу приложить электрическое поле, то оно будет наводить в коль це циркулирующий сверхпроводящий ток. Он будет вычитаться из постоянно го тока I в А и складываться в В. Тогда максимальный ток кольца зависит от м агнитного потока Ф и равен: Где I c – ток кольца, Ф 0 – квант потока, Ф – захваченный поток. При этом учтем: Где R – сопротивление перехода, l – индуктивност ь кольца, Ф – захваченный поток. Вообще D U может достигать нескольких микровольт и измеряться обычными электронными приборами. Приведем некоторые графические характеристики работы СКВИДов: Рис. 3 ВАХ сверхпроводящего кольца с 2-мя переходами Джозефсона Рис. 4 Зависимость I max от внешнего потока Где n – число квантов потока пронизывающих конту р. Теперь рассмотрим магнитометры на СКВИДе на пос тоянном токе с 2-мя тунельными переходами: Рис. 5 Магнитометры на СКВИДе на постоянном токе с 2-мя тунельными переходами · Сверхпроводящий м атериал – соединение Nb 3 Sn Рис. 6 Молекулярная модель соединения Nb 3 Sn Соединение Nb 3 Sn имеет следующие параметры: Т к =18.2К, Н к2 =18.5 МА/m ( m 0 Н к =23Тл) при 4.2К. Благодаря та ким параметрам можно получить джозефсоновские переходы чувствительны е как к малым магнитным полям 10 -17 Тл, так и к изменению больших магнитных полей » 1Тл. Соединени е Nb 3 Sn имеет такую решетку: атомы ниобия расположены в местах, занятых на рисунке и образуют со свои ми ближайшими соседями три цепочки, перпендикулярные друг другу. Атомы н иобия в этих цепочках связаны дополнительными ковалентными связями. Це почки ниобия в кристаллической структуре, для получения сверх проводящ их свойств не должны быть нарушены, что может произойти при избытке атом ов олова или при недостаточной степени порядка в кристаллической решет ке. Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn приведена на рисунке: Рис.7 Диаграмма фазового равновесия системы Nb-Sn Соеди нение Nb 3 Sn хрупкое и издел ия из него не могут быть получены обычным металлургическим путем (выплав кой с последующей деформацией). Массивные изделия из этого соединения: ц илиндры, пластины и т.д. получают металлокерамическим методом (смешивая в соответствующих пропорциях порошки ниобия и олова, прессуя изделия ну жной формы и нагревая их до температуры образования химического соедин ения Nb 3 Sn, обычно в интерва ле 960-1200 O) . · Получение джозефс оновских переходов Как уж е говорилось выше джозефсоновские туннельные переходы представляют со бой две тонкие сверхпроводящие пленки разделенные барьерным слоем диэ лектрика или полупроводника. Рассмотрим некоторые методы получения пе реходов с диэлектрическим барьером. На тщательно очищенную подложку в в акууме наносится первая пленка сверхпроводящего соединения толщиной в несколько тысяч ангстрем. Нанесение первой пленки осуществляется путе м катодного распыления. Газовый разряд при низком давлении можно возбуд ить высокочастотным электрическим полем. Тогда в газовом промежутке, со держащим аргон, возникает тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом полож ительные ионы, разгоняются электрическим полем, ударяются о катод распы ляя сплав. Вылетающие с катода атомы осаждаются на подложке. В такой сист еме были достигнуты скорости осаждения до 1А/сек. При смещении на катоде – мишени 500В. Для высокочастотного катодного распыления Nb 3 Sn необходим вакуум перед распылен ием 10 -4 Па, температура по дложки 900 O С, чистота напу скаемого аргона 99,999%, его давление менее 1Па. Для качества туннельного перехода большое знач ение имеет структура пленки. В напыленных пленках обычно сильно искажен а кристаллическая решетка, и в них со временем происходят структурные из менения: течение дислокаций, деформация границ зерен, что может значител ьно ухудшить свойства туннельного перехода. Одним из способов устранения этих нежелательны х явлений состоит во внесении в пленку примесей стабилизирующих их стру ктуру. Так пленки образующие туннельный переход получались последоват ельным напылением In (49нм), Au (9нм), Nb 3 Sn (350нм) для нижнего электрода и Nb 3 Sn (300нм), Au(5нм), Nb 3 Sn(200нм) для верхнего электрода. После этого пленки выдерживал ись при температуре 75 О С в течении 2ч., что приводило к стабилизации свойств перехода. Следующим важным этапом получения туннельного перехода является образование барьерного слоя, как правило, это слой оки сла на поверхности первой пленки. Свойства туннельного перехода и его ср ок службы определяется прежде всего качеством барьерного слоя. Этот сло й должен быть плотным, тонким ( » 2нм), ровным, не иметь пор и не меняться со вр еменем при температурном циклировании. Наиболее удачный метод приготовления туннельных барьеров состоит в ок ислении пленки в слабом ВЧ разряде в атмосфере кислорода. Подложка с пле ночным электродом крепится к катоду разрядной камеры. Сначала поверхно сть пленки очищают от естественного окисления путем ВЧ катодного распы ления в атмосфере аргона при давлении 0.5 Па в течении 1-5 мин. Сразу после это го аргон в камере заменяется кислородом или аргонокислородной смесью и зажигается разряд на частоте 13.56 МГц. За определенное время на пленке, нахо дящейся в разряде, образовался слой окисла необходимой толщины. Для полу чения туннельных барьеров толщиной 2-5нм необходимо поддерживать разряд мощностью 0.003-0,1 Вт/мм 2 в те чении 10-20 мин. Применяют туннельные переходы с барьером из полупроводника. В качестве материала барьера используется различные п/п: CdS, CdSe, Ge, InSb, CuAs и др. Основной метод нанесения п/п барьера – распыление. Однако в напыленном слое п/п имеется много отверстий и пустот, наличие которых способствует появлению закороток в переходе. Для устранения этого недостатка после н апыления барьера переход подвергается окислению. В результате закорот ки действительно не возникают, но свойства барьера при это ухудшаются: у меньшается максимальная плотность тока, величина емкости увеличиваетс я. Наилучшие туннельные переходы с полупроводниковым барьером, получаютс я, когда барьер представляет собой монокристалл. Такие переходы реализо ваны не созданием барьера на сверхпроводящей пленке, а наоборот, нанесен ием пленки на обе стороны тонкой монокристаллической п/п мембраны из Si. Из вестно, что скорость травления монокристаллического Si перпендикулярно плоскости (100) в 16 раз больше чем в направлении плоскости (111). В результате это го в пластине Si, поверхность которого параллельна (100), при травлении неболь шого, незащищенного фоторезистом участка, образуются ямки. Боковые стен ки ямки образуют плоскости (111) под углом 54.7 О к поверхности. Таким образом, размер дна ямки w 1 , т.е. размер мембраны определяется соотношением где w 2 – размер открытого незащищенного участка поверхности, t – глубина ямки. Чтобы получить мембрану нужной толщины, необход имо каким-либо образом автоматически остановить травление. Это достига ется с помощью легирования бором обратной стороны кремниевой подложки на глубину равную необходимой толщине мембраны. Скорость травления быс тро падает, когда достигается слой Si с концентрацией бора, равной n=4 Ч 10 19 см -3 , и полностью останавли вается при n=7 Ч 10 19 см -3 . Та ким образом были получены мембраны толщиной 40-100 нм. Далее с двух сторон нан осятся сверхпроводящие пленки, образующие переход. В случае последовательного напыления: сверхпро водящая пленка – барьер – сверхпроводящая пленка – последнюю пленку можно нанести методом катодного распыления. Готовые переходы защищают от влияния атмосферы слоем фоторезиста. Для получения воспроизводимых туннельных систем не обходимо, чтобы между операциями пленка не подвергалась воздействию ат мосферы т.к. адсорбция газов на поверхности пленок может вызвать неконтр олируемое изменение характеристик перехода. Спис ок литературы: 1. Р. Берри, П. Холл “Тонк опленочная технология” 1979 2. Т. Ван-Дузер Ч.У. Тернер “Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей” 1984 3. Г.Н. Кадыков а “Сверхпроводящие материалы” 1990 4. А.Ф. Волков, Н.В. Заварицкий “Электронные устройства на основе слабосвязных сверхпр оводников” 1982