WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

равновесного детектора. Мы предлагаем для реализации При рекомбинации двух квазичастиц излучается фонон детектора использовать плато частотной зависимости с энергией 2, который может либо покинуть пленку за время es = 4d/us (us —скорость звука в подложке, — коэффициент прозрачности границы пленка– подложка), либо за время B разрушить куперовскую пару. В результате эффективное время жизни квазичастиц равно es l = R 1 +. (2) B Следуя [16], вольт-ваттную чувствительность можно представить в виде LI exp(-/kBT ) 2 f l S = neqvV 1 +(2f l), (3) 1+(2f ) где — время развития электронной лавины.

Оценим численные значения характерных времен, входящих в уравнения (2) и (3) для наиболее тонкой пленки. Время рекомбинации при температурах много меньшей Tc может быть определено через время электрон-фононной релаксации при критической температуре e-ph(Tc):

Рис. 3. Амплитудно-частотные характеристики фотоотклика тонких NbN пленок в резистивном состоянии: a —образец R(T ) Tc 1/толщиной 20 nm, Tc = 6.5K, T = 0.4K, T = 6.1K;

= 0.1 exp. (4) b — образец толщиной 5 nm, Tc = 12.4K, T = 12.3K.

e-ph(Tc) T kBT Журнал технической физики, 1998, том 68, № Неравновесные индуктивные быстродействующие детекторы... на рис. 2. Тогда детектор обладает выходной полосой частот f от обратного времени жизни квазичастиц до обратного времени развития электронной лавины.

Время развития лавины оценивалось в оптических экспериментах по модуляции коэффициента пропускания [22], которые показали, что короче 0.5 ps.

Величина вольт-ваттной чувствительности на плато равна LI exp(-/T ) -1/S = T, (6) neqvV где neqv — равновесная концентрация квазичастиц, экспоненциально уменьшающаяся при понижении температуры.

Основным источником шума детектора является генерационно-рекомбинационный шум, соответствующая величина обнаружительной способности равна l D =. (7) 42neqvd Принимая значение концентрации электронов Рис. 4. Амплитудно-частотные характеристики индуктивного сигнала YBa2Cu2O7- детектора при 4.2 (a), 25 K(b).

1022 cm-3, получим концентрацию равновесных квазичастиц при 4.2 K neqv 1017 cm-3 и соответственно значение D, примерно равное 1012 W-1 · cm · Hz1/2.

б) Н е р а в н о в е с н ы й и н д у к т и в н ы й более тонких пленок позволяют избавляться от боломеYBa2 Cu O д е т е к т о р. Сложность изучения 3 7трического эффекта.

электронной кинетики в ВТСП материалах обусловлена Результаты недавних экспериментов по микроволновов первую очередь структурой параметра порядка. Налиму отклику, ЯМР и фотоэмиссии однозначно демонстричие нодальных областей, где сверхпроводящая щель маруют существование низкоэнергетических возбуждений ла, качественно меняет электронные процессы рассеяния в нодальных областях [24]. Исследования фазовой по сравнению с соответствующими процессами в традикогерентности торцевых сквидов поддерживают идею ционных сверхпроводниках. В результате, характерные d-спаривания [25], d-симметрия также происходит из времена в ВТСП материалах оказываются существенно модели, в которой спаривание возникает из-за обмена короче, что делает неравновесные явления в них более антиферромагнитными спиновыми флуктуациями [26].

сложными для регистрации, но более перспективными Благодаря наличию нодальных линий низкотемпературдля применения в быстродействующей (пикосекундной) ное поведение сверхпроводника очень чувствительно электронике.

к примесям. Без электрон-примесного рассеяния плотВ высокотемпературных сверхпроводниках при низких ность состояний квазичастиц является линейной функтемпературах квазичастицы сосредоточены в нодальных цией энергии вблизи поверхности Ферми. Даже малые областях, поэтому времена рекомбинации и релаксации концентрации примесей приводят к постоянной плотноотличаются лишь факторами когерентности и оказывасти состояний квазичастиц, которая зависит от электронются одного порядка. Оба времени лишь степенным примесного потенциала [27].

образом увеличиваются при понижении температуры.

Благодаря отсутствию особенности в плотности состоВремя электронной релаксации в резистивном состоянии яний время рекомбинации квазичастиц не растет эксповблизи сверхпроводящего перехода в YBaCuO пленках ненциально при низких температурах. Поэтому описабыло определено в [23] и составляет 2 ps. Поэтому ние фотоотклика моделью Оуэна и Скалапино [20] не даже при гелиевых температурах ожидаемые характероправдано. Как было уже отмечено выше, эксперименты ные электронные времена короче 100 ps. Эксперивблизи перехода показывают очень сильное межэлекментальные исследования индуктивного отклика вблизи тронное взаимодействие. Предположив, что электронсверхпроводящего перехода показывают, что кинетика электронное взаимодействие превалирует над электронэлектронов мало отличается от процессов в резистивном фононным и в сверхпроводящем состоянии, можно иссостоянии [18]. В этой области температур наблюдается пользовать кинетическую схему с неравновесной элекдвухвременная релаксация, в которой пикосекундные процессы обусловлены электрон-фононным взаимодей- тронной температурой.

ствием, а наносекундные связаны с уходом фононов Амплитудно-частотные характеристики индуктивного через границу ВТСП пленка–подложка (болометриче- сигнала, полученные при двух разных рабочих темпераский эффект). Понижение температуры и использование турах, показаны на рис. 4. Как видно при температуре 5 Журнал технической физики, 1998, том 68, № 68 И.Г. Гогидзе, П.Б. Куминов, А.В. Сергеев, А.И. Елантьев, Е.М. Меньщиков, Е.М. Гершензон T = 4.2 K амплитуда исследуемого сигнала линейно Заключение растет с увеличением частоты модуляции мощности падающего лазерного излучения во всей полосе изме- Сравнение индуктивных NbN и YBaCuO детекторов рительных частот (рис. 4, a). С увеличением рабочей с другими сверхпроводниковыми детекторами показано температуры (T = 25 K) на АЧХ сигнала после частоты на рис. 5. Для неравновесного индуктивного NbN модуляции мощности излучения f = 30.8 MHz с харак- детектора постоянная времени равна времени развития терным временем 5.2 ns появляется плато (рис. 4, b). лавины, которое практически не зависит от температуры. Значение обнаружительной способности растет с Низкотемпературные исследования использованных понижением температуры (формула (7)) и составляобразцов, для которых es 52 ± 0.2ns [28], показает D = 1012 W-1 · cm · Hz1/2 при T = 4.2K и ли следующее: при рабочей температуре T = 4.2K D = 1016 W-1 ·cm·Hz1/2 при T = 1.6 K. На рис. 5 левая до частот модуляции электромагнитного излучения граница обведенной области соответствует этому увелиf = 50 MHz (аппаратное время = 3.18 ns) чени D. Вместе с тем при фиксированной температуре амплитудно-частотная характеристика образца имеет выходная полоса частот ограничена снизу величиной возрастающий вид, т. е. амплитуда сигнала прямо проl-1, которая зависит от температуры и представлена порциональна частоте модуляции мощности падающего на рис. 5 правой границей обведенной области. Верхлазерного излучения. Если бы мы имели двухкомпонентняя граница соответствует рабочей температуре 1 K, ную релаксацию отклика, то уже с f = 30.8 MHz наблюнижняя — 4.2 K.

дали бы плато на АЧХ в нашей полосе измерительных Постоянная времени YBa2Cu3O7- низкотемпературчастот ( f = 50 MHz).

ного неравновесного индуктивного детектора определяНаши экспериментальные результаты подтверждают ется только временем релаксации электрон-фононного низкотемпературную реализацию чисто неравновесного d взаимодействия в нодальных областях e-ph. Детектор отклика в ВТСП, т. е. отсутствие болометрического эфимеет следующие предельные характеристики: при пофекта при рабочих температурах гораздо ниже сверхнижении рабочей температуры от 10 до 1 K постоянная проводящего перехода, и дают основания предполагать времени D меняется от 10 до 100 s, обнаружительная возможность создания неравновесного индуктивного быспособность D соответственно улучшается от 109 до стродействующего детектора на основе тонких пленок 4 · 1012 W-1 · cm · Hz1/2 (рис. 5).

YBaCuO.

Перейдем к обсуждению основных параметров YBaCuO индуктивного детектора, таких как постоянная времени D и обнаружительная способность D.

Кинетическая схема с неравновесной электронной температурой в ВТСП пленках вдали от сверхпроводящего перехода предполагает, что постоянная времени YBaCuO детектора равна времени релаксации электронd фононного взаимодействия в нодальных областях e-ph.

При температуре T = 4.2K ed 15 ps [23]. Тогда -ph при температурах около T = 10 K постоянная времени неравновесного индуктивного YBaCuO детектора D 10 ps.

Следуя [16], обнаружительная способность неравновесного индуктивного ВТСП детектора равна e-ph D =, (8) 4T cqd Рис. 5. Быстродействие D и параметр D сверхпроводниковых где cq — концентрация квазичастиц в нодальных обладетекторов: 1a —A1болометр(1K) [29], 1b — неравновесный стях, которую можно оценить по формуле резистивный A1 детектор (1.7 K) [30], 2a — неравновесный резистивный Nb детектор (1.7 K) [1], 2b — неравновесный cq(T ) T резистивный Nb детектор (4.2 K) [1], 3a — неравновесный 1.54, T. (9) резистивный NbN детектор (10 K) [2], 3b — NbN болоce(Tc) Tc метр (10 K) [31], 4a — неравновесный резистивный YBaCuO детектор (90 K) [4], 4b — YBaCuO болометр (90 K) [31], При температуре T = 10 K cq 4·10-5 J·cm-3 ·K-1 и 5a — неравновесный индуктивный YBaCuO детектор (10 K), соответственно обнаружительная способность индутив5b — неравновесный индуктивный YBaCuO детектор (1K), ного YBaCuO детектора D = 109 W-1 · cm · Hz1/2.

6 — неравновесный индуктивный NbN детектор (1.6–4.2 K).

Журнал технической физики, 1998, том 68, № Неравновесные индуктивные быстродействующие детекторы... Для сравнения с неравновесными индуктивными де- [22] Kazeroonion A.S., Cheng T.K., Brorson S.D. et al. // Sol. St.

Commun. 1991. Vol. 78. N 2. P. 95–98.

текторами мы выбрали чувствительный мембранный Al [23] Аксаев Э.Е., Гершензон Е.М., Гольцман Г.Н. идр. // СФХТ.

болометр с рекордным значением D, а также быстродей1990. Т. 3. № 8(2). С. 1928–1942.

ствующие неравновесные резистивные Nb и NbN детек[24] Kitazawa K. // Physica C. Vol. 235–240. P. XXIII.

торы, работающие вблизи перехода. Как видно, индуктив[25] Wollman D.A., Van Harlingen D.J., Lee W.C. et al. // Phys.

ные неравновесные детекторы обладают высокой обнаRev. Lett. 1993. Vol. 71. P. 2134.

ружительной способностью за счет малой концентрации [26] Pines D. // Physica B. 1994. Vol. 199–200. P. 300.

квазичастиц и рекордным быстродействием. Недостат[27] Ye Sun, Maki K. // Phys. Rev. B. 1995. Vol. 51. P. 6059.

ком таких детекторов является невысокая вольт-ваттная [28] Sergeev A.V., Semenov A.D., Kouminov P.B. et al. // Phys.

чувствительность, что приводит к довольно жестким Rev. B. 1994. Vol. 49. N 13. P. 9091–9096.

требованиям к усилителю в схеме регистрации. [29] Clarke J., Hoffer G.I., Richards P.L., and Yeh N.H. // J.

Appl. Phys. 1977. Vol. 48. N 12. P. 4865–4879.

Работа поддерживается Госпрограммой ”Актуальные [30] Гершензон Е.М., Гольцман Г.Н., Карасик Б.С. и др. // проблемы в физике конденсированных сред” (направлеСФХТ. 1992. Т. 5. № 6. С. 1129–1140.

ние ”Сверхпроводимость” в рамках проекта № 96128) [31] Richards P.L. // J. Appl. Phys. 1994. Vol. 76. N 1. P. 1–34.

и Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 1-068/4).

Список литературы [1] Гершензон Е.М., Гершензон М.Е., Гольцман Г.Н. и др. // ЖТФ. 1989. Т. 59. Вып. 2. С. 111–120.

[2] Воронов Б.М., Гершензон Е.М., Гольцман Г.Н. и др. // СФХТ. 1992. Т. 5. № 5. С. 955–960.

[3] Гершензон Е.М., Гогидзе И.Г., Гольцман Г.Н. и др. // Письма в ЖТФ. 1991. Т. 17. Вып. 22. С. 6–10.

[4] Danerud M., Winkler D., Lindgren M. et al. // J. Appl. Phys.

1994. Vol. 76. N 3. P. 1902–1908.

[5] Анисимов С.Л., Капелевич Б.Л. и Перельман Т.Л. // ЖЭТФ. 1974. Т. 66. Вып. 2. С. 776–781.

[6] Eesley G.L., Heremans J., Meyer M.S. et al. // Phys. Rev.

Lett. 1990. Vol. 65. N 27. P. 3445–3448.

[7] Semenov A.D., Nebosis R.S., Gousev Yu.P. et al. // Phys. Rev.

B. 1995. Vol. 52. N 1. P. 581–590.

[8] Frenkel A. // Phys. Rev. B. 1993. Vol. 48. N 13. P. 9717–9725.

[9] Гершензон Е.М., Гершензон М.Е., Гольцман Г.Н. и др. // ЖЭТФ. 1984. Т. 86. Вып. 2. С. 758–773.

[10] McDonald D.G. // Appl. Phys. Lett. 1987. Vol. 50. P. 775–777.

[11] Sauvageau J.E., McDonald D.G. // IEEE Trans. Magn. 1989.

Vol. 25. P. 1331–1334.

[12] Sauvageau J.E., McDonald D.G., Grossman E.N. // ISN.

1990. P. 372–375.

[13] Grossman E.N., McDonald D.G., Sauvageau J.E. // IEEE Trans. Magn. 1991. Vol. 27. N 2. P. 2677–2680.

[14] Sauvageau J.E., McDonald D.G., Grossman E.N. // IEEE Trans. Magn. 1991. Vol. 27. N 2. P. 2757–2760.

[15] Kaplan S.B., Chi C.C., Langenberg D.N. et al. // Phys. Rev.

B. 1974. Vol. 14. P. 4854.

[16] Sergeev A.V. and Reizer M.Yu. // Int. J. Mod. Phys. B. 1996.

Vol. 10. N 6. P. 635–667.

[17] Воронов Б.М., Гершензон Е.М., Сейдман Л.А. и др. // СФХТ. 1994. Т. 7. № 6. С. 1097–1102.

[18] Gol’tsman G.N., Kouminov P.B., Goghidze I.G., Gershenzon E.M. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 1995.

Vol. 5. N 2. P. 2591–2594.

[19] Bluzer N. // J. Appl. Phys. 1995. Vol. 78. N 12. P. 7340–7350.

[20] Omen C.S. and Scalapino D.J. // Phys. Rev. Lett. 1972.

Vol. 28. P. 1559.

[21] Gol’tsman G.N., Semenov A.D., Gousev V.P. et al. // Supercond. Sci. Technol. 1991. Vol. 4. P. 453–456.

Pages:     | 1 ||



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

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.