Эффект перекрестного андреевского отражения и его наблюдение в наноструктуре Ni-Pb-Ni Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.216 538.2

Ю. В. Горюнов

ЭФФЕКТ ПЕРЕКРЕСТНОГО АНДРЕЕВСКОГО ОТРАЖЕНИЯ И ЕГО НАБЛЮДЕНИЕ В НАНОСТРУКТУРЕ №-РЬ-№

Изучен эффект исчезновения андреевского вклада в сопротивление системы двух точечных ферромагнитных контактов, расположенных на расстоянии длины когерентности сверхпроводника, при переключении их намагниченностей из параллелного взаимного расположения в антипараллельное.

В последнее десятилетие вопросы взаимовлияния сверхпроводимости и ферромагнетизма на субатомном уровне стали предметом многих исследований. Эти исследования преподносят нам удивительные примеры новых интересных физических явлений [1-5], указывая на глубокую аналогию в поведении сверхпроводящего параметра порядка и волны. Можно ожидать, что в ближайшее время будет обнаружен весь спектр когерентных явлений, наблюдаемых, например, в волновой оптике и характеризуемых различными видами длин когерентности. Одним из таких интересных когерентных эффектов является предсказанный Дойчером и Файнбергом эффект перекрестного андреевского отражения [3].

Известно [6], что электрон, проникающий в сверхпроводник из нормального металла, всегда сопровождается электроном с противоположным направлением спина и импульса, воспринимаемым как незанятое электронное состояние ниже уровня ферми - дыркой. При возбуждениях, не превышающих ширину энергетической щели сверхпроводника, это дает соответствующие особенности в вольт-амперной характеристике точечного контакта [7,8]. В случае ферромагнитного металлла вследствие сильной поляризации зоны проводимости и отсутствия состояний, которые могли бы занять отражаемые от границы ферромагнетик - сверхпроводник дырки, прохождение электронов затруднено и требует приложения дополнительного потенциала [8]. Ситуация меняется в случае близко расположенных точечных ферромагнитных контактов. При расстоянии между контактами порядка длины когерентности сверхпроводника в зависимости от их взаимной полярицации возможно когерентное вхождение в сверхпроводник поляризованного электрона с одного контакта и «отражение дырки» на другом контакте [3,4].

Узкое место такого рода эксперимента в приготовлении точечных контактов, расположенных на расстоянии длины когерентности сверхпроводника. Как правило, это несколько десятков нанометров. В работе Б.Беекшапп [5] было показано существование этого явления на примере системы Ре-Д1-Ре, имеющей хорошую гибридизацию электронных волновых функций и соответственно высокую прозрачность интерфейсов. Алюминий, взятый в качестве сверхпроводника, имеет длину когерентности более тысячи нанометров. Приготовление контактов с таким промежутком находится в рамках возможностей метода электронно-лучевой литографии, что и было использовано в [5] при приготовлении образцов с горизонтальной планарной архитектурой. Однако научный и практический интерес имеет изучение этого явления для любых материалов, в том числе и с невысокой прозрачностью интерфейса и обычными длинами когерентности. В настоящей работе для исследований выбрана пара материалов РЬ-Ы1 с малой гибридизацией электронных функций и низкой прозрачностью интерфейсов [9]. Свинец имеет и значительно меньшую,

60

чем алюминий, длину когерентности (10 - 30 нм) [9]. Образцы наноструктур М-РЬ-М имели вертикальную архитектуру и получались вакуумным напылением в условиях стационарного расположения подложки, маски и источников. Маска из алюминиевой фольги толщиной 15 мкм плотно прижималась к моно - кристаллической кремниевой подложке размером 4х4 мм с вожжеными по углам золотыми контактными площадками и не сдвигалась в процессе приготовления остриев. В качестве материала ферромагнитных контактов намеренно был выбран неокисляющийся на воздухе никель. Напыление 5 нм никеля и разделяющих слоев моноокиси кремния толщиной от 10 до 40 нм проводилось одновременно на все образцы. После замены дополнительной маски, также в вакууме 1-10"6 тор, проводилось напыление 8 нм никеля и изолирующего слоя моноокиси кремния для другого острия. Таким образом, получались два никелевых острия, разделенные слоем диэлектрика, которые накрывались толстым (500 нм), слоем свинца. Оценки показывают, что размер контактов никель-свинец не превышает 2-4 нм. Измерения электронного транспорта выполнялись в отсутствие магнитного поля псевдо - четырех - контактным методом, поскольку подключение измерительных цепей осуществлялось к золотым контактным площадкам, а от них до остриев вели подводящие никелевые дорожки. Перемагничивание контактов проводилось временно включаемым магнитным полем различных направлений величиной 20 Э.

Результаты и обсуждение. Для всех образцов проведены измерения вольт-амперных характеристик в нормальном состоянии. Полный комплекс сравнительных измерений был проведен для образца с наименьшим (10 нм) расстоянием между контактами. Обнаружено, что в нормальном состоянии при Т=300К ни направление, ни величина (<10рА) транспортного тока, ни временно включаемое магнитное поле не влияют на вольт-амперные характеристики образцов, имеющих расстояние между контактами более 20 нм. Исключение составлял образец с наименьшим расстоянием между контактами. Для этого образца наблюдалось небольшое, но надежно фиксируемое увеличение сопротивления (12 Ом) при анти-параллельном расположении намагниченностей контактов в отличие от параллельных направлений намагниченностей (рис.1).

Рис. 1 - Изменение вольт-амперных характеристик ферромагнитных точечных контактов М-РЬ-М при изменении взаимных направлений намагниченностей контактов с параллельного на антипараллельный при расстоянии между контактами 10 нм при комнатной температуре

61

Следует отметить, что характер вольт-амперных характеристик указывает на отсутствие туннельных эффектов и соответственно на непосредственный характер электрического контакта между свинцом и Ы1- острием.

Критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние для исследуемых образцов составила известную для свинца величину 7.2 К. В сверхпроводящем состоянии для образца с расстоянием между контактами 10 нм сопротивление между контактами при Т=4.2К было 15.1 кОм, тогда как при комнатной температуре - 0.85 кОм. Данное увеличение может быть связано уменьшением прозрачности интерфейса никель-свинец при изменении характера заселенности зон проводимости с понижением температуры. Напомним, что электроны свинца и никеля плохо гибридизированы, прозрачность интерфейса низка, что требует приложения дополнительного потециала для перехода электрона из одного материала в другой. Другим возможным объяснением такого поведения является псевдо-четырехконтактный способ измерения и возможное наличие в измерительной цепи участков полупроводникового кремния. Однако каковыми бы ни были возможные особенности проведенного эксперимента, неоспоримым является следующий факт. Исключение из вольт-амперной характеристики системы контактов линейной части выявляет существенный андреевский вклад (рис.2), составляющий в среднем на контакт величину около 80 Ом. При переключении намагниченностей контактов в анти-параллельное расположение

данный андреевский вклад практически исчезал. При этом

6

0,10

0,05

S 0,00

<

-0,05

-0,10

—і-----------1-------

Ni-Pb-Ni

RN1-N1= 100 Â

MN1 параллельны T=4.2K

— •••

А V=0.033 I + 0.066

S'

\

AV=Vexp - (R0I+V0)

R0= 15.1 kOhm V = 0.03 mV

• •

• •

-0,5

0,0 0,5

I , M-A

1,0

Рис. 2 - Андреевский вклад в вольт-амперную характеристику образца ГЛ-РЬ-МІ с точечными ферромагнитными контактами расположенными на расстоянии 10 нм при Т=4.2К (свинец в сверхпроводящем состоянии) и параллельном расположении намагниченностей контактов (зависимость такого вида исчезает при антипарал-лельных намагниченностях контактов)

почти в два раза (до 8.3 кОм) падало общее сопротивление системы контактов. Столь значительное изменение сопротивления пока не находит своего объяснения, хотя может быть связано как с магнитострикцией при низких температурах (при Т=300 К этого не

62

наблюдается) подводящих никелевых дорожек, так и с различиями прозрачности интерфейса свинец-никель для электронов минорной и мажорной зон проводимости.

Таким образом, эффект исчезновения андреевского вклада в сопротивление системы расположенных на расстоянии длины когерентности сверхпроводника двух точечных ферромагнитных контактов при переключении их намагниченностей из параллелного взаимного расположения в антипараллельное мы связываем с особенностями проводимости исследуемой системы, обусловленными перекрестным андреевским отражением.

Работа поддерживается грантами РФФИ № 03-02-16382,03-0296191, НИОКР РТ 06.6.2.-215.

Литература

1 V.V.Ryazanov, et al., Phys.Rev.Lett. 86, 2427(2001)

2 I. A. Garifullin, D. A. Tikhonov, et al.. Phys.Rev.B 66, 020505-R(2002),

3 G.Deutscher, D.Feinberg, Appl.Phys.Lett. 76,487 (2000).

4 S.Takahashi, et al. cond-mat/0401111 v1 8 Jan (2004)

5 D. Beckmann, et al. Phys.Rev.Lett. 93,197003, (2004)

6A.F.Andreev, Sov.Phys.JETP 19, 1228 (1964)

7 I.K. Yanson, Sov. Phys. JETP 39, 506 (1974)

8 R.J.Soulen, et al. J.Appl.Phys. 85, 4589 (1999)

9 L.Lazar, K. Westerholt, et al., Phys.Rev.B 61, 3711(2000).

© Ю. В. Горюнов - канд. физ.-мат. аук, Казанский физико-техничекий институт им. ЕКЗавойского РАН.

63