Эффект близости (сверхпроводимость)

Эта статья об эффекте близости в сверхпроводимости. Чтобы узнать о других значениях, см. Эффект близости (значения) .

График, показывающий зависимость плотности сверхпроводящих электронов от глубины в нормальном и сверхпроводящем слоях с двумя длинами когерентности , $\xi$ и $\xi _{n}$.

Эффект близости или эффект Холма-Мейснера — это термин, используемый в области сверхпроводимости для описания явлений, которые происходят, когда сверхпроводник (S) находится в контакте с «нормальным» (N) несверхпроводником. Обычно критическая температура $T_{c}$ сверхпроводника подавляется и в обычном материале на мезоскопических расстояниях наблюдаются признаки слабой сверхпроводимости. Эффект близости известен со времен новаторских работ Р. Холма и В. Мейсснера. Они наблюдали нулевое сопротивление в прессованных контактах SNS, в которых два сверхпроводящих металла разделены тонкой пленкой несверхпроводящего (т.е. нормального) металла. Открытие сверхтока в контактах СНС иногда ошибочно приписывают работе Брайана Джозефсона 1962 года, однако эффект был известен задолго до его публикации и понимался как эффект близости.

Происхождение эффекта

Электроны в сверхпроводящем состоянии сверхпроводника упорядочены совсем иначе, чем в обычном металле, т. е. они спарены в куперовские пары . положения импульса Более того, нельзя сказать, что электроны в материале имеют определенное положение из-за дополнительности . В физике твердого тела обычно выбирают основу импульсного пространства, и все электронные состояния заполняются электронами до поверхности Ферми в металле или до энергии края щели в сверхпроводнике.

Из-за нелокальности электронов в металлах свойства этих электронов не могут меняться бесконечно быстро. В сверхпроводнике электроны упорядочены как сверхпроводящие куперовские пары; в нормальном металле электронный порядок бесщелевой (одноэлектронные состояния заполнены до поверхности Ферми ). Если сверхпроводник и обычный металл объединить, электронный порядок в одной системе не может бесконечно резко перейти на другой порядок на границе. Вместо этого парное состояние в сверхпроводящем слое переносится на нормальный металл, где спаривание разрушается в результате рассеяния, в результате чего куперовские пары теряют свою когерентность. Для очень чистых металлов, таких как медь , спаривание может сохраняться на протяжении сотен микрон.

И наоборот, (бесщелевой) электронный порядок, присутствующий в нормальном металле, также переносится на сверхпроводник, поскольку сверхпроводящая щель уменьшается вблизи границы раздела.

Микроскопическая модель, описывающая это поведение в терминах одноэлектронных процессов, называется андреевским отражением . Он описывает, как электроны в одном материале принимают порядок соседнего слоя, принимая во внимание прозрачность интерфейса и состояния (в другом материале), из которых электроны могут рассеиваться.

Обзор

Как контактный эффект, эффект близости тесно связан с термоэлектрическими явлениями, такими как эффект Пельтье или образование pn-переходов в полупроводниках . Усиление эффекта близости $T_{c}$ является наибольшим, когда обычным материалом является металл с большим коэффициентом диффузии, а не изолятор (I). Подавление эффекта близости $T_{c}$ в спин-синглетном сверхпроводнике наибольшая, когда нормальный материал ферромагнитен, так как наличие внутреннего магнитного поля ослабляет сверхпроводимость ( разрыв куперовских пар ).

Исследовать

Исследование бислоев и мультислоев S/N, S/I и S/S' (S' - низший сверхпроводник) было особенно активной областью исследования сверхпроводящего эффекта близости. Поведение составной структуры в направлении, параллельном интерфейсу, отличается от поведения, перпендикулярного интерфейсу. В сверхпроводниках типа II, подвергнутых воздействию магнитного поля, параллельного границе раздела, вихревые дефекты будут преимущественно зарождаться в слоях N или I, и наблюдается разрыв в поведении, когда возрастающее поле вынуждает их проникать в слои S. В сверхпроводниках I типа поток аналогичным образом сначала проникает в N слоев. Подобные качественные изменения в поведении не происходят, когда магнитное поле приложено перпендикулярно границе раздела S/I или S/N. В мультислоях S/N и S/I при низких температурах большая глубина проникновения и длина когерентности куперовских пар позволят слоям S поддерживать взаимное трехмерное квантовое состояние. При повышении температуры связь между слоями S разрушается, что приводит к переходу к двумерному поведению. Анизотропное поведение бислоев и мультислоев S/N, S/I и S/S' послужило основой для понимания гораздо более сложных явлений критического поля, наблюдаемых в сильно анизотропных купратах. высокотемпературные сверхпроводники .

наблюдала эффект близости Холма-Мейсснера в графене . Недавно исследовательская группа Морпурго Эксперименты проводились на устройствах нанометрового масштаба, состоящих из одиночных слоев графена с наложенными друг на друга сверхпроводящими электродами из пленок титана толщиной 10 нм и алюминия толщиной 70 нм. Алюминий является сверхпроводником, который отвечает за придание сверхпроводимости графену. Расстояние между электродами находилось в диапазоне от 100 до 500 нм. Эффект близости проявляется в наблюдениях сверхтока, т.е. тока, протекающего через графеновый переход при нулевом напряжении на переходе. Исследования показали, что с помощью затворных электродов эффект близости возникает, когда носителями в графене являются электроны, а также когда носителями являются дырки. Критический ток устройств был выше нуля даже в точке Дирака.

Вихрь Абрикосова и эффект близости

Показано, что квантовый вихрь с четко выраженным ядром может существовать в достаточно толстом нормальном металле, вблизи сверхпроводника.

См. также

• Андреевское отражение - Процесс рассеяния на границе раздела нормальный-металл-сверхпроводник.
• Эффект Джозефсона - квантовое физическое явление

Ссылки

• Сверхпроводимость металлов и сплавов П.Г. де Женн . ISBN   0-201-40842-2 , учебник, в котором значительное место уделяется сверхпроводящему эффекту близости (в книге называемому «граничным эффектом»).