WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

САЛИХОВ РУСЛАН ИЛЬГИЗОВИЧ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА СПИНОВОГО ЭКРАНИРОВАНИЯ В ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ СВЕРХПРОВОДНИК/ФЕРРОМАГНЕТИК 01.04.11 – физика магнитных явлений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Казань - 2009 2

Работа выполнена в лаборатории физики перспективных материалов Учреждения РАН Казанского физико-технического института им. Е. К. Завойского КазНЦ РАН

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Гарифуллин Ильгиз Абдулсаматович Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Тагиров Ленар Рафгатович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Рязанов Валерий Владимирович доктор физико-математических наук, профессор Жихарев Валентин Александрович

Ведущая организация: Институт физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита состоится «25» сентября 2009 г. в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 002.191.01 при Учреждении РАН Казанском физикотеническом институте им. Е. К. Завойского КазНЦ РАН: 420029, Казань, Сибирский тракт 10/7.

Отзывы на автореферат (два заверенных экземпляра) просим отправить по адресу: 420029, Казань, Сибирский тракт 10/7, КФТИ КазНЦ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения РАН Казанского физико-технического института им. Е. К. Завойского КазНЦ РАН.

Автореферат разослан «18» августа 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета М.М. Шакирзянов 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Взаимодействие двух антагонистических явлений сверхпроводимости и ферромагнетизма в сплавах и интерметаллических соединениях находится в центре внимания исследователей уже в течение 40 лет. Антагонистическими эти два состояния вещества оказываются вследствие того, что ферромагнетизм требует параллельного взаимного расположения электронных спинов в то время как сверхпроводимость - их антипараллельной ориентации. В последнее время особый интерес вызывает исследование взаимодействия этих двух явлений в тонкопленочных слоистых гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик (С/Ф) – эффект близости С/Ф [1]. Было установлено, что при контакте сверхпроводящей пленки с ферромагнитной происходит сильное подавление температуры сверхпроводящего перехода Tc, гораздо сильнее, чем в случае контакта сверхпроводящей пленки, например, с пленкой из немагнитного нормального металла. Вместе с тем было обнаружено, что Tc может проявлять осцилляционную зависимость от толщины ферромагнитного слоя. В настоящее время эти явления достаточно хорошо поняты. Они связаны с проникновением сверхпроводящего порядка в ферромагнитный слой. В то же время можно ожидать и обратное явление, а именно, проникновение ферромагнитного порядка в сверхпроводящий слой (обратный эффект близости). Этот эффект был недавно предсказан Бержерет и др. [2]. Причину того, почему магнитный порядок может проникнуть в сверхпроводник, можно легко понять на качественном уровне. Этот эффект возникает в связи с тем, что куперовские пары имеют размер порядка s.

Предположим, что ферромагнитный слой тоньше, чем s, и допустим, что куперовские пары являются жесткими объектами с противоположно направленными спинами электронов. Очевидно, что пары, полностью находящиеся в сверхпроводнике, не дают вклада в магнитный момент сверхпроводника. В то же время существуют пары, расположенные в пространстве более сложным образом, в которых один электрон находится в сверхпроводящем слое, а другой - в ферромагнитном. Именно такие пары дают вклад в магнитный момент сверхпроводника. Направление вдоль магнитного момента М в ферромагнетике является предпочтительным для электрона пары, расположенного в ферромагнитном слое. Данное обстоятельство вынуждает спин другого электрона куперовской пары быть противоположным М. Это означает, что все такие пары дают вклад в магнитный момент сверхпроводника. При этом направление намагниченности электронов в этой области противоположно направлению магнитного момента М в ферромагнетике. Теоретически при малой толщине ферромагнитной пленки (тоньше, чем глубина проникновения сверхпроводящего порядка в ферромагнитный слой) индуцированный магнитный момент в сверхпроводнике должен полностью компенсировать магнитный момент электронов проводимости в ферромагнитном слое, поэтому этот эффект (обратный эффект близости) также называют эффектом спинового экранирования.

Эта картина, предсказанная теоретически, очень важна для понимания эффекта близости С/Ф в целом. В связи с этим, экспериментальная проверка теории Бержерет и др. [2] может оказаться одним из последних принципиальных шагов в изучении взаимодействия сверхпроводимости и ферромагнетизма в тонкопленочных гетероструктурах С/Ф. К моменту начала данной работы никаких однозначных экспериментальных подтверждений эффекта спинового экранирования в литературе не было.

Рассмотрение на более формальном уровне показывает, что эффект спинового экранирования пропорционален уменьшению спиновой восприимчивости электронов проводимости С-слоя при сверхпроводящем переходе. В свою очередь, спиновая восприимчивость электронов проводимости является физической причиной сдвига Найта линии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в металлах. Таким образом, в ЯМР эффекты спинового экранирования проявятся в меру уменьшения найтовского сдвига при переходе системы в сверхпроводящее состояние.

Целью данной диссертационной работы являлось обнаружение эффекта спинового экранирования и изучение его особенностей в слоистых гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик.

В соответствии с указанными целями были поставлены следующие задачи:

создание высокочувствительного стационарного спектрометра ЯМР; выбор материалов в качестве сверхпроводящих и ферромагнитных слоев; исследование сигналов ЯМР от ядер сверхпроводящих слоев в тонкопленочных системах С/Ф.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- Разработан оригинальный сверхчувствительный спектрометр ЯМР, позволяющий детектировать сигнал ЯМР от тонких пленок ванадия или ниобия толщиной в несколько десятков нанометров.

- Обнаружено, что сдвиг Найта в ванадии уменьшается с переходом в сверхпроводящее состояние. Этот результат противоречит ранее полученным экспериментальным результатам Р. Ноера и В. Найта [3].

- По результатам измерений ЯМР на ядрах V в трехслойных системах Pd1Fex/V/Pd1-xFex и Ni/V/Ni впервые обнаружен эффект проникновения спиновой x поляризации в сверхпроводящий слой в тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик (эффект спинового экранирования).

Научная и практическая значимость работы Полученные результаты имеют фундаментальный характер и могут быть использованы при создании спинового клапана для сверхпроводящего тока.

Понимание обнаруженного явления проникновения спиновой поляризации в сверхпроводящий слой позволит детально выяснить микроскопическую природу функционирования спинового клапана для сверхпроводящего тока, основанного на эффекте близости сверхпроводник/ферромагнетик.

Достоверность работы определяется: разносторонней характеризацией исследуемых образцов современными методами с использованием уникального оборудования для проведения измерений; многократным тестированием созданного ЯМР спектрометра на образцах с известными резонансными параметрами; всесторонним анализом полученных экспериментальных результатов с привлечением всех существующих теоретических подходов.

На защиту выносятся:

- Оригинальный стационарный спектрометр ЯМР, обладающий сверхвысокой чувствительностью и работающий на низкой частоте (6 МГц).

- Результаты исследований ЯМР по изучению поведения найтовского сдвига в ванадии при переходе в сверхпроводящее состояние. Обнаружено, что при переходе в сверхпроводящее состояние сдвиг Найта в ванадии уменьшается. Этот результат противоречит более ранним экспериментальным результатам Р. Ноера и В. Найта.

- Результаты измерений ЯМР на ядрах V в тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик (Pd1-xFex/V/Pd1-xFex и Ni/V/Ni), в которых было обнаружено уширение высокополевого крыла линии ЯМР. Анализ полученных данных показал, что обнаруженный эффект является экспериментальным свидетельством эффекта спинного экранирования.

Личный вклад автора:

участие в разработке и изготовлении оригинального высокочувствительного спектрометра ЯМР; выбор режимов напыления пленок и приготовление образцов;

характеризация образцов методами малоуглового рентгеновского отражения и SQUID-магнитометрии; измерение температуры сверхпроводящего перехода и критических магнитных полей у приготовленных образцов; проведение измерений ЯМР; обработка полученных результатов и участие в их анализе и интерпретации.

Апробация работы Результаты работы были представлены на следующих научных конференциях:

9-ый Международный Симпозиум «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» (Ростов-на-Дону, п. Лоо, 2006); Международная Конференция «EUROMAR magnetic resonance conference» (Санкт Петербург, 2008); XIII Международный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2009); Итоговая научная конференция за 2008 год (Казанский научный центр РАН, 2008).

Публикации Результаты работы отражены в трех статьях в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК, а также в материалах и тезисах вышеперечисленных конференций.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка авторской литературы и цитируемой литературы, содержащей 89 наименований.

Работа изложена на 110 страницах, включая 25 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении данной диссертации дан краткий обзор литературы посвященной взаимодействию сверхпроводимости и ферромагнетизма в сплавах, интерметаллических соединениях и слоистых тонкопленочных гетероструктурах сверхпроводник/ферромагнетик. Дается качественное описание физики эффекта спинового экранирования и излагается постановка задачи.

В первой главе дано описание высокочувствительного стационарного спектрометра ЯМР специально созданного для наблюдения эффекта спинового экранирования. Для того чтобы достичь заметного вклада в сигнал ЯМР от областей, в которых наводится спиновая поляризация вследствие эффекта спинового экранирования, необходимо ограничить толщину С-слоя размером, несильно превышающим S. Это означает, что число ядер ванадия, участвующих в резонансе, будет чрезвычайно малым. Обычно для увеличения чувствительности используют импульсные спектрометры, функционирующие на максимально возможных частотах и позволяющие накапливать сигнал неограниченное число раз. В нашем случае резонансное поле должно позволять проводить измерения ЯМР и в сверхпроводящем состоянии, а это приводит к существенному ограничению рабочей частоты спектрометра. Для того, чтобы преодолеть эту проблему, нами был создан сверхчувствительный спектрометр ЯМР, работающий в непрерывном режиме на частоте порядка 5 МГц.

Спектрометр основан на схеме генератора Робинсона. Нами были подобраны полевые транзисторы MESFET, способные работать при температуре 4 К. Это позволило поместить высокочастотный генератор в жидкий гелий вблизи резонансного контура. В результате нам удалось значительно уменьшить тепловые шумы и исключить потери и наводки в линии, соединяющей генератор с резонансным контуром. Вследствие того, что гиромагнитные отношения для ядер меди и ванадия близки, резонансный контур так же, как и модуляционные катушки, были намотаны серебряной проволокой высокой чистоты. При температуре жидкого гелия такой контур имеет высокую добротность, что также сильно увеличивает чувствительность спектрометра. Выход генератора был подключен к усилителю с синхронным детектированием.

В этой же главе диссертации описан метод молекулярно-лучевой эпитаксии, применявшийся при приготовлении образцов, а также метод малоуглового рассеяния рентгеновских лучей, использованный для характеризации качества поверхности, границ раздела слоев и уточнения толщин слоев в исследованных гетероструктурах.

Немаловажное значение в достижении цели, поставленной в данной работе, имел и выбор объекта исследования.

Во второй главе данной диссертации проанализирован полученный к настоящему времени опыт по изучению структуры границ раздела в гетероструктурах С/Ф [4-7] и выработаны рецепты выбора пары материалов с требуемыми свойствами границы их раздела. На основании этого анализа в качестве сверхпроводящего слоя предпочтительным во всех отношениях представлялся ванадий. Вместе с тем, оставался вопрос, удачен ли данный выбор с точки зрения ЯМР. Дело в том, что в свое время Р. Ноер и В. Найт на основании своих экспериментов пришли к выводу, что сдвиг Найта в ванадии не изменяется с переходом в сверхпроводящее состояние. Для наблюдения эффекта спинового экранирования наличие изменения найтовского сдвига является необходимым условием.

В качестве ферромагнитных слоев мы остановились на сплаве Pd1-xFex и Ni.

Сплав Pd1-xFex был выбран вследствие того, что путем изменения концентрации железа в сплаве можно изменять обменное поле внутри ферромагнетика.

Уменьшение обменного поля в ферромагнетике, приводящее к увеличению коэффициента прозрачности границы С/Ф, способствует усилению эффекта спинового экранирования. Никель в качестве ферромагнитного слоя был выбран в связи с тем обстоятельством, что в ряду элементов переходного ряда он наиболее близок к материалу, в котором ферромагнетизм обусловлен зонными электронами, а не локализованными моментами. В случае ферромагнетизма, обусловленного зонными электронами, эффект спинового экранирования оказывается максимальным. Это обстоятельство позволяло надеяться на то, что в соответствии с теоретическими предсказаниями эффект спинового экранирования окажется значительным в меру того, насколько никель близок к зонному ферромагнетизму.

В третьей главе диссертации мы провели собственные исследования поведения сдвига Найта в ванадии при переходе в сверхпроводящее состояние.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»