Математические модели сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в наноструктурах ферромагнитный металл/сверхпроводник

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

05.13.18 Математическое моделирование, численные методы

и комплексы программ

01.04.02 - теоретическая физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СОСУЩЕСТВОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И МАГНЕТИЗМА В НАНОСТРУКТУРАХ ФЕРРОМАГНИТНЫЙ МЕТАЛЛ/СВЕРХПРОВОДНИК

ТЕРЕНТЬЕВА ЛАРИСА АНАТОЛЬЕВНА

Казань - 2007



Работа выполнена в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Хусаинов Мансур Гарифович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Лапин Александр Васильевич

доктор физико-математических наук, профессор Тимеркаев Борис Ахунович

Ведущая организация: Институт физики металлов УрО РАН (Екатеринбург)

Защита состоится 2007 г. на заседании диссертационного совета Д 212.079.01 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н.Туполева по адресу: 420111, г. Казань, ул. К.Маркса, д. 10.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева.

Автореферат разослан 200_ г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор П.Г. Данилаев.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сверхпроводимость и ферромагнетизм являются антагонистическими явлениями, и их сосуществование в однородных материалах требует специальных, достаточно трудновыполнимых условий. Однако в искусственно-слоистых FM/S-системах, состоящих из чередующихся слоев ферромагнитного металла (FM) и сверхпроводника (S), такое сосуществование легко достижимо. Благодаря эффекту близости, который заключается в частичной передаче сверхпроводящих свойств нормальному металлу, находящемуся в электрическом контакте со сверхпроводником, возможно наведение сверхпроводящего параметра порядка в FM-слое, а с другой стороны, соседняя пара FM-слоев будет взаимодействовать друг с другом через S-слой. В таких системах, меняя толщину FM- и S-слоев или же помещая FM/S-структуру во внешнее магнитное поле, можно управлять ее свойствами.

Многочисленные эксперименты c FM/S-структурами выявили нетривиальные зависимости температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc от толщины ферромагнитного слоя df. Поэтому была развита теория эффекта близости, свободная от ограничений на прозрачность границы раздела FM/S и чистоту металлов FM и S. Кроме того, в FM/S-сверхрешетках и трехслойных S/FM/S-структурах теоретически и экспериментально было установлено явление р-фазной сверхпроводимости, но для теоретического описания этих интересных явлений была построена только одномерная модель эффекта близости, которая учитывала пространственные изменения параметра порядка только поперек S- и FM-слоев. С другой стороны, отсутствие подавления сверхпроводимости в короткопериодных сверхрешетках Gd/La является настоящим вызовом существующей теории эффекта близости. Дело в том, что сильный парамагнитный эффект обменного поля, разрушающий сверхпроводимость, требует, чтобы толщины FM-слоев df были много меньше толщин S-слоев ds, тогда как в сверхрешетках Gd/La соотношение толщин обратное df >ds.

Благодаря богатому сочетанию различных сверхпроводящих и магнитных состояний, трехслойные FM/S/FM наноструктуры с двумя каналами записи информации в одном образце, являются перспективными кандидатами для использования в новой прикладной области науки - сверхпроводящей спинтронике. Совмещение обоих каналов в одном FM/S/FM образце позволило бы существенно увеличить плотность записи информации.

Подход с позиции математического моделирования к исследованию сверхпроводящих и магнитных состояний гетерогенных структур FM/S представляется весьма перспективным. Дело в том, что математические модели позволяют сочетать математическую строгость с физической простотой и наглядностью.

Таким образом, разработка и теоретический анализ новых трехмерных математических моделей трехслойных структур FM/S/FM и S/FM/S, их теоретический анализ являются актуальной задачей, имеющей существенное значение для сверхпроводящей спиновой электроники.

Объектом исследования являются толстослойные и тонкослойные структуры FM/S, FM/S/FM и S/FM/S.

Предметом исследования является трехмерное математическое моделирование процессов сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в наноструктурах ферромагнитный металл/сверхпроводник.

Целью работы является построение новых трехмерных математических моделей для исследования сверхпроводящих и магнитных состояний двухслойных и трехслойных наноструктур, полученных чередованием слоев ферромагнитного металла (FM) и сверхпроводника (S).

Научная задача работы заключается в теоретическом исследовании сверхпроводящих и магнитных свойств FM/S-контактов и трехслойных структур FM/S/FM и S/FM/S на основе трехмерной математической модели.

Для достижения цели и решения поставленной задачи необходимо:

1. Сформулировать математическую модель сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в виде трехмерной краевой задачи, учитывающей как взаимодействия внутри слоев FM и S, так и взаимодействия между слоями для толстослойных и тонкослойных структур FM/S, FM/S/FM и S/FM/S.

2. Найти аналитические решения этих краевых задач для различных вариантов сосуществования сверхпроводимости и магнетизма. Получить конечные формулы для нахождения температуры перехода в сверхпроводящее состояние Tc, оптимизированные по различным параметрам слоистой структуры.

3. Провести численный анализ полученных формул и построить диаграммы состояний гетерогенных структур FM/S, FM/S/FM и S/FM/S, найти области значений параметров, отвечающих реализации различных вариантов сосуществования сверхпроводимости и магнетизма.

4. Исследовать возможность использования трехслойных наноструктур FM/S/FM в качестве логического элемента с двумя каналами записи информации (сверхпроводящим и магнитным).

Методы исследований. Для реализации поставленной цели и задач в диссертационной работе использовались аналитические и численные методы математической физики для решения неоднородных краевых задач в применении к системам ферромагнитный металл/сверхпроводник.

Достоверность полученных результатов. Сформулированные в диссертационной работе научные положения и выводы подтверждены теоретическими обоснованиями, результатами компьютерного моделирования и согласованностью разработанной теории с известными экспериментальными данными. В предельных частных случаях они воспроизводят известные положения, полученные другими авторами.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Построена трехмерная математическая модель эффекта близости, в которой учтены пространственные изменения парной амплитуды не только поперек FM/S-структур, но также и вдоль FM/S границ раздела.

2. Впервые при математическом моделировании эффекта близости учтены величина и знак межэлектронного взаимодействия в ферромагнитном металле, что позволило построить реалистическую модель, объясняющую все основные экспериментальные факты для трехслойных систем FM/S/FM и S/FM/S. сверхпроводящий магнитный наноструктура ферромагнитный

3. На основе построенной теории предсказаны новые р-фазные сверхпроводящие состояния в тонкослойных FM/S/FM-структурах, объяснена причина отсутствия подавления сверхпроводимости в короткопериодной сверхрешетке Gd/La и предсказаны величина и знак межэлектронного взаимодействия в ферромагнитном гадолинии.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке трехмерных математических моделей толстослойных и тонкослойных наноструктур FM/S/FM и S/FM/S, позволивших исследовать взаимную подстройку сверхпроводимости и магнетизма в этих структурах.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что изучаемые в ней трехслойные системы FM/S/FM являются весьма перспективными для использования в сверхпроводящей спиновой электронике. Они могут служить элементной базой для создания наноэлектронной аппаратуры принципиально нового типа, совмещающей преимущества сверхпроводящего и магнитного каналов записи информации в одном образце. Эти каналы могут раздельно управляться с помощью слабого внешнего поля.

Публикации и апробация результатов. Основные положения работы опубликованы в 18 работах, среди которых 6 журнальных статей и 12 тезисов докладов, 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК.

С целью апробации основные положения работы докладывались и обсуждались на научных семинарах в НИИ математики и механики им. Н.Г. Чеботарева (КГУ, отделение математики РАН), в отделе теоретической и математической физики института физики металлов УрО РАН (г. Екатеринбург) и кафедры ЕНД КГТУ. Кроме того, результаты диссертации доложены на международных и российских научных конференциях: Moscow International Symposium on Magnetism (Москва, МГУ, 2005), 24th International Conference on Low Temperature Physics (Orlando, Florida, USA, 2005), Международная молодежная конференция, посвященная 1000-летию города Казани «Туполевские чтения» (Казань, 2005), III Российская научно-техническая конференция «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург, 2005), Международная зимняя школа физиков-теоретиков (Кыштым, 2006), 8th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors (Dresden, Germany, 2006).

Реализация результатов работы. Данные исследования проведены в рамках госбюджетной темы КГУ им. В. И. Ульянова-Ленина «Неоднородные сверхпроводящие и магнитные состояния в наноструктурах ферромагнетик/сверхпроводник» при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты 05-02-16369, 04-02-16761). Результаты работы использованы в научных отчетах по данной теме.

Материалы работы используются в учебном процессе Казанского государственного технического университета при чтении курса лекций по Физическим Основам Получения Информации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Трехмерная теория эффекта близости в толстослойных наноструктурах FM/S/FM, которая учитывает взаимное влияние слоев FM и S, конечную прозрачность FM/S-границы и конкуренцию между диффузионным и волновым типами движения квазичастиц в ферромагнитных слоях.

2. Трехмерная модель эффекта близости в толстослойной системе S/FM/S, для которой существуют два возможных типа сверхпроводимости: 0 - фазный и р - фазный. Каждое из этих состояний имеет два варианта реализации: одномерное и трехмерное.

3. Трехмерная теория эффекта близости для тонкослойных FM/S контактов, учитывающая величину и знак межэлектронного взаимодействия в FM-слое.

4. Обоснование наличия не только р-фазных магнитных состояний 0р и рр, но также р-фазных сверхпроводящих состояний р0 и рр в тонкослойных структурах FM/S/FM.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержащего 87 наименований. Работа изложена на 112 страницах, включая 18 рисунков.

Автор выражает благодарность официальному научному консультанту, зав. кафедрой теоретической физики КГУ, д.ф.-м.н., профессору Прошину Ю.Н. за научные консультации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Сведения о личном вкладе автора. Постановка задач принадлежит научному руководителю. Разработка трехмерной (3D) модели эффекта близости для наноструктур FM/S, решение краевой задачи и вычисление температуры сверхпроводящего перехода для этих структур, исследование зависимости температуры сверхпроводящего перехода Тс от толщины ферромагнитного (df) и сверхпроводящего (ds) слоев выполнялись автором. Вычисления выполнялись на основе подхода, разработанного Хусаиновым М.Г.. Написание статей проводилось совместно с научным руководителем.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, охарактеризованы научная новизна и значимость полученных результатов, а также дано краткое описание содержания работы.

В первой главе, которая носит вводный характер, обсуждены различные варианты сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в однородных материалах и слоистых FM/S-структурах. Здесь же проведен критический анализ и сравнение результатов экспериментов на FM/S-системах с выводами известной одномерной теории эффекта близости. Наконец, в последнем параграфе 1.6 дан вывод трехмерной краевой задачи для эффекта близости в неоднородной FM/S-системе.

Рис.1. Коричневым показаны слои FM, голубым - слой S. Вертикальные стрелки показывают направления намагниченностей.

Во второй главе развита трехмерная теория эффекта близости для толстослойных структур FM/S/FM и S/FM/S, в которых толщины FM и S-слоев df(s) больше или порядка длины когерентности. Трехслойная система FM/S/FM состоит из S-слоя, заключенного между двумя FM-слоями.

Сформулирована краевая задача для функции Горькова F(,z,). Уравнения для S-слоя имеют вид:

, (1)

(2)

Уравнения для FM-слоев таковы:



, (3)

(4)

Здесь s и f - сверхпроводящий параметр порядка; s и f - безразмерные параметры межэлектронного взаимодействия в S и FM-слоях; D - коэффициент диффузии; штрих у знака суммы означает обрезание на дебаевской частоте щD; далее щ = рT(2n+1) - мацубаровская частота, T - температура, I-обменное поле локализованных спинов в FM-слое.

Граничные условия для границы раздела z = 0 имеют вид:

(5)

На поверхности раздела z = ds:

(6)

Здесь s(f) - коэффициенты прозрачности границы. Комплексный коэффициент диффузии Df(I) в FM-слое описывает конкуренцию волнового и диффузионного движения электронов



. (7)

Граничные условия для внутренних FM/S-границ трехслойной системы дополнены условиями на внешних границах z = - df; z = ds+ df, которые характеризуют отсутствие потока электронов через них. Решения, удовлетворяющие дифференциальным уравнениям и граничным условиям имеют вид:

(8)

,

где A, B, B' и C - константы, не зависящие от z и с; а ks и kf - не зависящие от частоты компоненты импульса пар, описывающие пространственные изменения парной амплитуды вдоль оси z, в то время как qf есть двумерный импульс пар Ларкина-Овчинникова-Фульде-Ферелла (ЛОФФ), который отвечает за осциллирующее поведение Ff(r,) в плоскости x - y.

Комплексные величины волновых чисел kf и kf зависят от константы диффузии Df (I), а также от величины и знака обменного поля I. В ферромагнитном сверхпроводящем (FS) состоянии при параллельной ориентации намагниченностей в FM-слоях имеем kf = kf В антиферромагнитном сверхпроводящем состоянии при антипараллельной ориентации намагниченностей в FM-слоях kf = k*f. Комплексный kf и вещественный qf волновые вектора связаны соотношением

. (9)

Для ферромагнитной сверхпроводящей фазы параметр распаривания Dsks2 является решением трансцендентного уравнения

. (10)

Для получения решений, соответствующих антиферромагнитному сверхпроводящему (AFS) состоянию, необходимо добавить уравнение, связывающее ksAFS и ksFS :

. (11)

Подставляя решения (8) в уравнения (1) и (3), проводя стандартную процедуру суммирования по частоте, получаем уравнение типа Абрикосова-Горькова для приведенной температуры сверхпроводящего перехода tFS = TcFS/Tcs в FS - состоянии:

. (12)

Данная система трансцендентных уравнений позволяет исследовать зависимость приведенной критической температуры t трислоев FM/S/FM от толщины ферромагнитных (df) и сверхпроводящего (ds) слоев при различных соотношениях параметров (уs, 2Iфf = lf/af, nsf = Nsvs/Nfvf, ds/s0, df/af, ls/s0). Результаты численного анализа, проведенного на основе программирования на языке С++, а также с использованием пакетов программ Maple и Origin, приведены на рис.2, из которого следует, что трехмерное антиферромагнитное состояние (0р) в большинстве случаев обладает более высокой критической температурой.

Рис.2. Зависимости приведенной критической температуры t (нижние части) и значения q_f (верхние части) от приведенной толщины FM слоев. Красная линия соответствует AFS состоянию, черная соответствует FS состоянию. Сплошные и штриховые линии отвечают 3D (q_f ? 0) и 1D (q_f = 0) случаям, соответственно. Для простоты точки Лифшица переходов 1D - 3D (квадраты) показаны только в части b.

Рассмотрим трехслойную систему S/FM/S, состоящую из FM-слоя (0 < z < df), заключенного между двумя S-слоями (-ds < z < 0 и df < df + ds). Для S-слоев будут справедливы уравнения (1) и (2), а для FM-слоя (3) и (4) с граничными условиями, связывающими поток парной амплитуды с ее скачком на внутренних FM/S поверхностях раздела z = 0 и z = df (поток спаренных электронов - так называемых куперовских пар, который меняется скачком на границе раздела сред)

(13)

(14)

На внешних границах z = - ds; z = ds + df после замены индексов f на s у парных амплитуд и коэффициентов дифузии, будут работать условия, исключающие поток электронов через них.

Будем искать решение краевой задачи в одномодовом приближении для трехслойной структуры S/FM/S в виде

,

(15)

где A, A, B и C - константы, не зависящие от z и с. Для S/FM/S структуры удобнее использовать классификацию состояний, введенную еще Буздиным с соавторами и Радовичем с соавторами, согласно которой существуют два возможных типа сверхпроводимости: 0 - фазный и р-фазный. Существенное отличие наших решений в том, что каждое из приведенных состояний имеет два варианта реализации: 1D с qf = 0 и 3D с qf 0.

Для 0 - фазной ситуации решение краевой задачи приводит к уже знакомому уравнению для критической температуры Tc, где распаривающий фактор Dsks2 теперь дается уравнением

. (16)

В р-фазном случае параметр распаривания Dsks2 в уравнении (2.24) для Tc описывается уже другим уравнением

. (17)

Результаты численного анализа поведения Tc(df) для 0 - и р-фазных состояний трехслойной структуры S/FM/S при различных значениях параметров изображены на рис.3, на котором видно, что немонотонное поведение Tc(df) связано с последовательными фазовыми переходами 3D0-1Dр-3Dр. Имеется ряд замечательных явлений, связанных с протеканием тока через двойные контакты. Среди них эффект Джозефсона в трехслойной структуре S/FM/S, позволяющий непосредственно исследовать р-фазную сверхпроводимость. Обращение критического тока в нуль соответствует переходу из 0-фазной в р-фазную сверхпроводимость.



Рис.3. Зависимости приведенной критической температуры t (нижняя часть) и значения q_f (верхняя часть) от приведенной толщины FM слоя. Сплошные и штриховые линии отвечают 3D (q_f ? 0) и 1D (q_f = 0) случаям, соответственно.

В третьей главе развивается теория эффекта близости для тонких FM/S-контактов и трехслойных структур FM/S/FM и S/FM/S, когда толщины слоев много меньше длин когерентности (df(s) << f(s)). В отличие от прежних теорий здесь впервые учитывается величина и знак межэлектронного взаимодействия в FM-слоях.

Рассмотрим плоский FM/S- контакт. В куперовском пределе, когда толщины слоев много меньше длин когерентности для случая идеальной прозрачности ( 1) граничные условия примут вид

(18)

В результате вычислений функции Горькова F(с, z, щ) для S и FM-слоев получаем:

(19)

Здесь cf(s) - относительные объемные плотности состояний электронов в FM- и S-слоях соответственно, равные

. (20)

Для приведенной температуры сверхпроводящего перехода t = Tc/Tcs двухслойного FM/S - контакта получено уравнение

(21)

Зависимость Tc(df) для таких FM/S бислоев изображена на рис.4 для случая лs = лf.

Рис.4. Фазовые диаграммы T_c(d_f) (нижняя часть) и q_f(d_f) (верхняя часть) FM/S бислоя. Использованы следующие значения 2I?_f = 5; (?_f /a_f)² = 10; N_s = N_f , где ?_f² = D_f /2T_cs.

Рассмотрим теперь трехслойную систему FM/S/FM, состоящую из тонкого S-слоя (0 < z < ds), заключенного между двумя тонкими FM-слоями (-df < z < 0 и ds < ds+df). В случае идеальной прозрачности границы между ферромагнитным металлом и сверхпроводником граничные условия на внутренней FM/S поверхности раздела z = 0 даются уравнениями, аналогичными FM/S-контакту, а на внутренней границе z = ds эти условия примут вид:

(22)

Верхний знак соответствует обычной 0-фазной сверхпроводимости с совпадающими фазами параметров порядка Дf и Дf в FM и FM-слоях. Нижний знак соответствует необычной р-фазной сверхпроводимости, при которой знак параметра порядка Дf меняется на противоположный при пересечении внутреннего S-слоя. Это состояние считалось в предыдущих исследованиях в принципе невозможным, так как собственная сверхпроводимость в FM-слоях не принималась во внимание.

Будем искать решения уравнений в виде, исключающем поток электронов через внешние границы FM/S/FM-трислоя (z = - df и z = ds+ df):

(23)

Здесь A, C, B и B-параметры, которые находятся из граничных условий (18) и (22). Волновые числа ks, kf и kf определяются выражениями

(24)

В последней из формул верхний знак соответствует параллельной ориентации намагниченностей в FM и FM-слоях (0-фазное магнитное состояние), а нижний знак соответствует их антипараллельной ориентации (р-фазное магнитное состояние).

В случае тонких трислоев FM/S/FM возможны четыре различных состояния, которые отличаются фазами ц и ч сверхпроводящего (Д) и магнитного (I) параметров порядка в соседних FM-слоях, соответственно: 00, р0, 0р и рр.

Рассмотрим вначале состояния 0р и рр с антипараллельной ориентацией намагниченностей FM-слоев.

Для 0р - состояния функции Горькова определяются уравнениями

, (25)

что свидетельствует о ее непрерывности на границе раздела сред z = 0 и z = ds. Коэффициенты cf(s) - относительные объемные плотности состояний электронов в FM и S-слоях, соответственно, задаются равенствами

(26)

Приведенная температура сверхпроводящего перехода t0р = Tc0р/Tcs трехслойной структуры FM/S/FM в 0р - состоянии определяется из соотношения

. (27)

Для рр-состояния функции Горькова описываются уравнениями

. (28)

Для приведенной температуры сверхпроводящего перехода tрр = Tcрр/Tcs справедливо равенство

. (29)

На рис.5 мы приводим схематическое изображение профиля параметра порядка (z) для 0р состояния (а) и рр состояния (б).



Теперь рассмотрим состояния 00 и р0 с параллельной ориентацией намагниченностей FM-слоев.

Для 00-состояния уравнения для функций Горькова, непрерывных на внутренних границах, имеют вид

. (30)

Приведенная температура t00 = Tcрр /Tcs состояния 00 является решением уравнения

. (31)

Для р0-состояния функции Горькова следующие:

. (32)

Приведенная температура tр0 = Tcрр/Tcs

. (33)

Cостояния 00 и р0 с параллельными намагниченностями FM-слоев обладают более низкими критическими температурами по сравнению с состояниями 0р и рр вследствие распаривающего действия обменного поля.

Рассмотрим трехслойную систему S/FM/S, состоящую из тонкого FM -слоя (0 < z < df), заключенного между двумя тонкими S-слоями (-ds < z < 0 и df < df + ds). Для случая идеальной прозрачности граничные условия на внутренних FM/S-поверхностях соответствуют непрерывности функций Горькова и равенству производных от этой функции. В случае границы раздела z = 0 эти условия имеют вид:

(34)

Аналогичные граничные условия записываются на поверхности раздела z = df:

(35)

где верхний знак соответствует 0-фазной сверхпроводимости, а нижний знак соответствует р-фазной сверхпроводимости. Таким образом, для трехслойной структуры S/FM/S существуют два возможных типа сверхпроводимости: 0 - фазный и р-фазный. Верхний знак соответствует 0-фазной сверхпроводимости, а нижний знак соответствует р-фазной сверхпроводимости.

Для 0-фазного сверхпроводящего состояния функции Горькова, непрерывные на внутренних границах, описываются уравнениями

. (36)

Здесь cf(s) - относительные объемные плотности состояний электронов в FM и S-слоях соответственно, которые определяются формулами

(37)

Подставляя полученные выражения в уравнения самосогласования для S и FM-слоев и используя формулу суммирования по частоте, приходим к уже знакомому уравнению для 0р-состояния трехслойной структуры FM/S/FM

. (38)

Для р-фазного состояния функции Горькова таковы:

. (39)



Для приведенной температуры сверхпроводящего перехода tр=Tcр/Tcs трехслойной S/FM/S

. (40)

Сравнивая между собой выражения для t0 и tр видим, что в тонких трислоях S/FM/S реализуется только 0-фазное сверхпроводящее состояние, обладающее более высокой критической температурой.

В четвертой главе рассмотрены спинтронные устройства, совмещающие преимущества сверхпроводящего и магнитного каналов записи информации в одном образце. Трехслойные FM/S/FM системы являются наиболее перспективными кандидатами для использования в сверхпроводящей спиновой электронике (спинтронике). Подобные системы могут работать по нескольким принципиальным схемам. Если трехслойную структуру FM/S/FM поместить во внешнее магнитное поле H, то для нее существует три характеристических значения H: коэрцитивное поле Hcoer, критическое поле Hc и поле пиннинга Hp. Зафиксируем ориентацию намагниченности левого FM-слоя, вверх () за счет пиннинга в контакте со слоем магнитного диэлектрика. При наложении внешнего поля H, большего Hcoer и ориентированного по направлению поля пиннинга (по направлению намагниченности в слое FM) система из антиферромагнитного сверхпроводящего (AFS) состояния перейдет в ферромагнитное нормальное (FN) состояние: S N. При этом изменится информация, записанная на сверхпроводящем токе в слое S и информация, записанная на магнитном порядке. Выключение этого поля возвращает систему в исходное AFS состояние. Если наложить внешнее магнитное поле HcHHcoer то система перейдет в состояние S. Подобного состояния системы можно добиться при достаточно большой толщине сверхпроводящего слоя S. Тогда информация, записанная на сверхпроводящем токе, сохранится, а информация, записанная на магнитном порядке - перезапишется. В случае, если суммарное обменное поле окажется больше критического, то сверхпроводящее состояние такого тонкого S-слоя будет разрушено, и система перейдет из сверхпроводящего состояния в нормальное N.

При действии на систему внешнего магнитного поля противоположной ориентации (направленного ”вниз”), большего Hc, система перейдет в антиферромагнитное нормальное (AFN) состояние (S N)?. В этом случае меняется только информация, записанная на сверхпроводящем токе, а информация, записанная на взаимной ориентации намагниченностей слоев FM, сохраняется. Дополнительный переход в FN-состояние возникает при действии поля HHp в том же направлении ”вниз” (N N).

Таким образом, наноструктуры FM/S могут служить элементной базой для создания микроэлектронной аппаратуры принципиально нового типа, совмещающей преимущества сверхпроводящего и магнитного каналов записи информации в одном образце. Эти каналы могут раздельно управляться внешним полем.

В заключении формулируются выводы, и приводится перечень основных результатов, полученных в диссертационной работе.



ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулирована математическая модель сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в виде трехмерной краевой задачи, учитывающей как взаимодействия внутри слоев FM и S, так и взаимодействия между слоями для толстослойных и тонкослойных структур FM/S, FM/S/FM и S/FM/S. В отличие от прежних одномерных моделей наша 3D модель учитывает пространственные осцилляции парной амплитуды вдоль границ раздела FM/S.

2. Найдены аналитические решения этих краевых задач для различных вариантов сосуществования сверхпроводимости и магнетизма. Получены конечные формулы для нахождения температуры сверхпроводящего перехода Tc, оптимизированные по различным параметрам слоистой структуры. На основе полученных решений впервые дана новая классификация состояний в наноструктурах FM/S/FM, учитывающая конкуренцию не только между 0-фазным и р-фазным магнетизмом, но и между 0-фазной и р-фазной сверхпроводимостью. Полученные результаты объясняют природу сверхпроводимости в тонкослойных наноструктурах Gd/La.

3. Построены диаграммы состояний гетерогенных структур FM/S, FM/S/FM и S/FM/S, найдены области значений параметров, отвечающих реализации различных вариантов сосуществования сверхпроводимости и магнетизма. С помощью численного анализа воспроизведены все качественно различные типы экспериментальных диаграмм состояний.

4. Получены математические и физические критерии по значениям параметров FM/S/FM систем для создания наноструктур с заранее заданными сверхпроводящими и магнитными свойствами.



ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ

В статьях:

1. (издания, рекомендуемые ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций):

2. Терентьева, Л.А. Трехмерная модель эффекта близости в наноструктурах ферромагнитный металл / сверхпроводник / ферромагнитный металл / Л.А. Терентьева, Н.М. Иванов, Д.С. Саттаров, М.Г. Хусаинов // Вестник Казанского государственного технического университета. / Казань, 2006. - №1(41). - С. 49 - 53.

(другие издания):

3. Terentieva, L.A. 3D model of proximity effect and inhomogenius р-phase superconductivity in ferromagnet / superconductor / ferromagnet nanostructure / L.A. Terentieva, N.M. Ivanov, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov // Proceedings of Moscow International Simposium on magnetism / Moscow, 2005. - P. 95 - 99.

4. Терентьева, Л.А. Двухканальная запись информации на основе слоистых структур ферромагнетик-сверхпроводник / Л.А. Терентьева, Н.М. Иванов, Д.С. Саттаров, Ю.Н. Прошин, М.Г. Хусаинов // Электронное приборостроение / Казань:ЗАО Новое знание, 2005. - Выпуск 4(45). - С. 65 - 74.

5. Терентьева, Л.А. Сверхпроводящие и магнитные состояния в наноструктурах ферромагнетик/сверхпроводник / Н.М. Иванов, Л.А. Терентьева, Д.С. Саттаров, Ю.Н. Прошин, М.Г. Хусаинов // Электронное приборостроение / Казань:ЗАО Новое знание, 2005. - Выпуск 4(45). - С. 47 - 55.

6. Terentieva, L.A. F/S/F trilayer: 3D model of proximity effect / L.A. Terentieva, N.M. Ivanov, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov // AIP Conference Proceedings. - Orlando, Florida, USA - 2006. - Vol. 850. - P. 905 - 906.

7. Terentieva, L.A. The FM/S/FM trilayer inhomogenius р-phase superconductivity / N.M. Ivanov, L.A. Terentieva, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov // AIP Conference Proceedings. - Orlando, Florida, USA - 2006. - Vol. 850. - P. 907 - 908.

В тезисах:

8. Терентьева, Л.А. Конкуренция между ферромагнетизмом и сверхпроводимостью в трехслойной наноструктуре FM/S/FM / Л.А. Терентьева, Н.М. Иванов, Д.С. Саттаров, М.Г. Хусаинов // Сборник тезисов докладов III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» / Екатеринбург, 2005. - С. 72 - 74.

9. Terentieva, L.A. 3D model of proximity effect in ferromagnet/superconductor/ferromagnet nanostructure / L.A. Terentieva, N.M. Ivanov, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov // Books of Abstract of Moscow International Symposium on magnetism / Moscow, 2005. - P. 66 - 67.

10. Terentieva, L.A. Inhomogenius р phase superconductivity in ferromagnet/superconductor/ferromagnet trilayers / N.M. Ivanov, L.A. Terentieva, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov // Books of Abstract of Moscow International Symposium on magnetism / Moscow, 2005. - P. 67 - 68.

11. Терентьева, Л.А. Новые р-фазные сверхпроводящие состояния в наноструктурах FM/S/FM / Н.М. Иванов, Л.А. Терентьева, Д.С. Саттаров, М.Г. Хусаинов // Сборник тезисов докладов III Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» / Екатеринбург, 2005. - С. 40 - 41.

12. Терентьева, Л.А. Трехмерная модель эффекта близости в FМ/S/FМ-структурах / Л.А. Терентьева, Н.М. Иванов, Д.С. Саттаров, М.Г. Хусаинов // Программа и тезисы докладов международной молодежной научной конференции, посвященной 1000-летию города Казани / Казань, 2005. - Т 4. - С. 143 - 144.

13. Терентьева, Л.А. Неоднородная р-фазная сверхпроводимость в FМ/S/FМ трислоях / Н.М. Иванов, Л.А. Терентьева, Д.С. Саттаров, М.Г. Хусаинов // Программа и тезисы докладов международной молодежной научной конференции, посвященной 1000-летию города Казани / Казань, 2005. - Т 4. - С. 135 - 136.

14. Terentieva, L.A. F/S/F trilayer: 3D model of proximity effect / L.A. Terentieva, N.M. Ivanov, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov //Official Conference Book 24th International Conference on Low Temperature Physics / Orlando, Florida, USA, 2005. - P. 17 - 18.

15. Terentieva, L.A. The FM/S/FM trilayer inhomogenius р-phase superconductivity / N.M. Ivanov, L.A. Terentieva, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov // Official Conference Book 24th International Conference on Low Temperature Physics / Orlando, Florida, USA, 2005. - P. 18.

16. Терентьева, Л.А. Сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости в треслойной наноструктуре FM/S/FM / Л.А. Терентьева, Н.М. Иванов, Д.С. Саттаров, Ю.Н. Прошин, М.Г. Хусаинов // Программа и тезисы докладов XXXI Международной зимней школы физиков-теоретиков. - Екатеринбург, 2006г. - C. 99.

17. Терентьева, Л.А. р-фазная сверхпроводимость в наноструктурах FM/S/FM / Н.М. Иванов, Л.А. Терентьева, Д.С.Саттаров, Ю.Н. Прошин, М.Г. Хусаинов // Программа и тезисы докладов XXXI Международной зимней школы физиков-теоретиков / Екатеринбург, 2006. - C. 19.

18. Terentieva, L.A. р-phase superconductivity in thin FM/S/FM and S/FM/S nanostructures/ N.M. Ivanov, L.A. Terentieva, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov // Abstract Booklet of 8th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors. - Dresden, 2006. - P. 279.

19. Terentieva, L.A. 3D model of proximity effect for thick S/FM/S and FM/S/FM three-layered nanostructures/ L.A. Terentieva, N.M. Ivanov, D.S. Sattarov, Yu.N. Proshin, M.G. Khusainov // Abstract Booklet of 8th International Conference on Materials and Mechanisms of Superconductivity and High Temperature Superconductors. - Dresden, 2006. - P. 279.

Размещено на Allbest.ru

...