Электронный транспорт в гибридных сверхпроводниковых мезаструктурах / Electron Transport in Hybrid Superconducting Epitaxial Mesastructures

Константинян К. И. / Constantinian, K. Y.
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН / Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Овсянников Г. А. / Ovsyannikov, G. A.
Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН / Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН
Выпуск в базе РИНЦ
DOI: 10.25210/jfop-1601-112132

Константинян К. И., Овсянников Г. А. Электронный транспорт в гибридных сверхпроводниковых мезаструктурах // Физические основы приборостроения. 2016. Т. 5. № 1(18). С. 112–132.
Constantinian, K. Y., Ovsyannikov, G. A. Electron Transport in Hybrid Superconducting Epitaxial Mesastructures // Physical Bases of Instrumentation. 2016. Vol. 5. No. 1(18). P. 112–132.

Аннотация: We present results on experimental studies of electron transport of hybrid superconducting mesastructures with oxide magnetic interlayers. The density of the superconducting current in mesastructures with antiferromagnetic interlayer reaches jC =700 A/cm2 and the decay length of superconducting correlations is estimated of order 7 nm. These mesastructures exhibit significantly higher sensitivity to the external magnetic field than conventional Josephson junctions. In mesastructures with a composite ferromagnetic interlayer the superconducting current has been measured being caused by an emergence of spin-triplet correlations.

Abstract: Экспериментально исследован электронный транспорт сверхпроводниковых гибридных эпитаксиальных мезаструктур на основе купратных сверхпроводников с оксидными магнитными прослойками. Показано, что плотность сверхпроводящего тока в мезаструктурах с прослойкой из антиферромагнетика достигает значений jC =700 A/cм2, а характерная длина затухания сверхпроводящих корреляций составляет величину порядка 7 нм. Обнаружено, что такие мезаструктуры обладают существенно большей чувствительностью к внешнему магнитному полю, чем обычные джозефсоновские переходы. В мезаструктурах с прослойкой из композитного ферромагнетика обнаружен сверхпроводящий ток, обусловленный возникновением спин-триплетных корреляций.

Ключевые слова: магнетики, джозефсоновские переходы, электронный транспорт, спин-поляризованные процессы, ток-фазовая зависимость, СВЧ динамика, superconductors, magnetic materials, Josephson junctions, electron transport, spin-polarized processes, current-phase relation, магнетики

Литература / References
  1. Bergeret, F. S., Volkov, A. F., Efetov, K. B. Odd Triplet Superconductivity and Related Phenomena in Superconductor-Ferromagnet Structures. // Rev. Mod. Phys. 2006. Vol. 77. P. 1321.
  2. Komissinskiy, P., Ovsyannikov, G. A., Borisenko, I. V., Kislinskii, Yu.V., Constantinian, K. Y., Zaitsev, A. V., and Winkler, D. Josephson Effect in Hybrid Oxide Heterostructures with an Antiferromagnetic Layer. // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99. P. 017004.
  3. Gorkov, L. P., Kresin, V. Z. Josephson Junction with an Antiferromagnetic Barrier. // Physica C. 2002. Vol. 367. P. 103.
  4. Зайцев А. В., Овсянников Г. А., Константинян К. И., Кислинский Ю. В., Шадрин А. В., Борисенко И. В., Комиссинский Ф. В. Сверхпроводящий ток в гибридных структурах с антиферромагнитной прослойкой. // ЖЭТФ. 2010. Т. 137, С. 380.
  5. Andersen, B. M., Bobkova, I. V., Hirschfeld, P. J., Barash, Yu.S. 0-π Transitions in Josephson Junctions with Antiferromagnetic Interlayers. // Phys. Rev. Lett. 2006. Vol. 96. P. 117005.
  6. Vaknin, D., Caignol, E., Davis, P. K., et al. Antiferromagnetism in (Ca0.85Sr0.15) CuO2, the Parent of the Cuprate Family of Superconducting Compounds. // Phys. Rev. B. 1989. Vol. 39. P. 9122.
  7. Овсянников Г. А., Денисюк С. А., Бдикин И. К. Рост и проводимость кальциевых купратных пленок. // ФТТ. 2005. Т. 47. С. 417.
  8. Овсянников Г. А., Борисенко И. В., Комиссинский Ф. В., Кислинский Ю. В., Зайцев А. В. Аномальный эффект близости в сверхпроводниковых оксидных структурах с антиферромагнитной прослойкой. // Письма в ЖЭТФ. 2006. Т. 84. С. 320.
  9. Komissinskiy, P., Ovsyannikov, G. A., Constantinian, K. Y., et al. High-Frequency Dynamics of Hybrid Oxide Josephson Heterostructures. // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 78. P. 024501.
  10. Nie, J. C., Badica, P., Hirai, M., et al. Electron-Doped Superconductivity in Sr1-xCaxCuO2-δ Infinite-Layer Thin Films. // Physica C. 2003. Volums 388-389. P. 441.
  11. Аматуни Л. Э., Ахумян А. А., Константинян К. И., Мартиросян Р. М., Овсянников Г. А. Движение вихрей в мостиковых структурах из высокотемпературных сверхпроводников. // Письма в ЖЭТФ. 1989. Т. 49. С. 559.
  12. Constantinian, K. Y., Amatuni, L. E., Hakhumian, A. A., Hayrapetian, R. B., and Martirossian, R. M. Microwave Mixing Processes in HTSC Thin Films. // Physica B. 1991. Vol. 173. P. 313.
  13. Amatuni, L. E., Constantinian, K. Y., Hakhumian, A. A., Hayrapetian, R. B., Martirossian, R. M., Lee, K., and Park, G. Microwave Mixing and Generation in the Low-Tc and High-Tc Superconducting Thin-Film Bridges. // Superconductor Science and Technology. 1992. Vol. 5. P. 107.
  14. Комиссинский Ф. В., Овсянников Г. А., Иванов З. Г. Температурная зависимость электронного транспорта в гетеропереходах нормальный металл-ВТСП. // ФТТ. 2001. Т. 43. С. 769.
  15. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. Физика и применения: Мир, Москва. 1984.
  16. Аматуни Л. Э., Ахумян А. А., Айрапетян Р. Б., Константинян К. И., Мартиросян Р. М., Овсянников Г. А. Собственное электромагнитное излучение ВТСП тонкопленочных мостиковых структур. // Письма в ЖЭТФ. 1989. Т. 50. С. 355.
  17. Константинян К. И., Аматуни Л. Э., Мартиросян Р. М. Непосредственное наблюдение риделевской особенности на торцевом YBaCuO джозефсоновском переходе. // Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 59. С. 167.
  18. Аматуни Л. Э., Мартиросян Р. М., Константинян К. И. Собственное электромагнитное излучение YBa2Cu3O7 тонкопленочных торцевых переходов в миллиметровом диапазоне длин волн. //Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. С. 86.
  19. Lofwander, T., Shumeiko, V. S., Wendin, G. Andreev Bound States in High-Tc Superconducting Junctions // Superconductor Sci. Technol. 2001. Vol. 14. P. R53.
  20. Hilgenkamp, H., Mannhart, J. Grain Boundaries in High-Tc Superconductors. // Rev. Mod. Phys. 2002. Vol. 74. P. 485.
  21. Il´Ichev, E, Grajcar, M., Hlubina, R., et al. Degenerate Ground State in a Mesoscopic YBa2Cu3O7-d Grain Boundary Josephson Junction. // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 86. P. 5369.
  22. Kleiner, R., Katz, A. S., Sun, A. G., et al. Pair Tunneling From c-Axis YBa2Cu3O7-x to Pb: Evidence for s-Wave Component From Microwave Induced Steps. // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76. P. 2161.
  23. Mints, R. G., Papiashvilli, I., Kirtley, J. R., Hilgenkamp, H., Hammel, G., and Mannhart, J. Observation of Splintered Josephson Vortices at Grain Boundaries in YBa2Cu3O7-δ. // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 89. P. 067004.
  24. Mints, R. G. Self-Generated Flux in Josephson Junctions with Alternating Critical Current Density. // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 57. P. R3221.
  25. Комиссинский Ф. В., Константинян К.И, Кислинский Ю.В, Овсянников Г. А. Электронный транспорт в металлооксидных сверхпроводниковых гетеропереходах.// ФНТ. 2004. Т. 30. С. 795.
  26. Il`Ichev, E., Zakozarenko, V., Ijsselsteijn, R., et al. Nonsinusoidal Current-Phase Relationship of Grain Boundary Josephson Junctions in High-Tc Superconductor. // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81. P. 894.
  27. Ustinov, A. V., Mygind, J., and Oboznov, V. A. Phase-Locked Flux-Flow Josephson Oscillator. // J. Appl. Phys. 1992. Vol. 72. P. 1203.
  28. Кислинский Ю. В., Комиссинский Ф. В., Константинян К. И. и др. Сверхпроводящий ток гибридных гетеропереходов металлооксидных сверхпроводников: размерная и частотная зависимости. // ЖЭТФ. 2005. Т. 128. С. 575.
  29. Mannhart, J. High-Tc Transistors. // Supercond. Sci. Technol. 1996. Vol. 9. P. 49.
  30. Karminskaya, T.Yu., Kornev, V. K. Subharmonic Shapiro Steps on I-V Curve of Underdamped Josephson Junctions. // Proceedings of Int. Student’s Workshop on Microwave Applications of New Physical Phenomena. Saint-Petersburg. Russia. 2004. P. 119.
  31. Ovsyannikov, G. A., Borisenko, I. V., and Constantinian, K. Y. Electron Transport in High-Tc Superconducting Grain Boundary Junctions. // Vacuum. 2000. Vol. 58. P. 149.
  32. Riedel, R. A., Bagwell, P. F. Low-Temperature Josephson Current Peak in Junctions with d-Wave Order Parameters. // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 57. P. 6084.
  33. Tanaka, Y., Kashiwaya, S. Theory of the Josephson Effect in d-Wave Superconductors. // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 53. R11957.
  34. Barash, Yu.S. Quasiparticle Interface States in Junctions Involving d-Wave Superconductors. // Phys. Rev. B. 2000. Vol. 61. P. 678.
  35. Комиссинский Ф. В., Овсянников Г. А., Кислинский Ю. В. и др. Андреевские состояния и эффект Джозефсона в сверхпроводниковых гетеропереходах в тонких пленках YBa2Cu3Ox. // ЖЭТФ. 2002. Т. 95. С. 1074.
  36. Gozar, A., Logvenov, G., Kourkoutis, L. F., et al. High-Temperature Interface Superconductivity Between Metallic and Insulating Copper Oxides. // Nature. 2008. Vol. 455. P. 782.
  37. Okamoto, S., Millis, A. J. Electronic Reconstruction at an Interface Between a Mott Insulator and a Band Insulator. // Nature. 2004. Vol. 428. P. 630.
  38. Billinge, S. J.L., Davies, P. K., Egami, T., and Catlow, C. R.A. Deviations From Planarity of Copper-Oxygen Sheets in Ca0.85Sr0.15CuO2. // Phys. Rev. B. 1991. Vol. 43. P. 10340.
  39. Bell, C., Tarte, E. J., Burnell, G., et al. Proximity and Josephson Effects in Superconductor/Antiferro-magnetic Nb/γ-Fe50Mn50 Heterostructures. // Phys. Rev. B. 2003. Vol. 68. P. 144517.
  40. Golubov, A, Kupriyanov, M.Yu., and Il’Ichev, E. The Current-Phase Relation in Josephson Junctions. // Rev. Mod. Phys. 2004. Vol. 76. P. 411.
  41. Komissinski, P. V., Il’Ichev, E., Ovsyannikov, G. A., et al. Observation of the Second Harmonic in Superconducting Current-Phase Relation of Nb/Au/ (001) YBa2Cu3Ox Heterojunctions. // Europhys. Lett. 2002. Vol. 57. P. 585.
  42. Mieville, L., Worledge, D., Geballe, T.H, Contreras, R., and Char, K. Transport Across Conducting Ferromagnetic Oxide/Metal Interfaces. // Appl. Phys. Lett. 1998. Vol. 73. P. 1736.
  43. Van Zalk M, Brinkman, A., Aarts, J., and Hilgenkamp, H. Interface Resistance of YBa2Cu3O7-δ /La0.67Sr0.33MnO3 Ramp-Type Contacts. // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 82. P. 134513.
  44. Шейерман А. Е., Константинян К. И., Овсянников Г. А. и др. Спин-триплетный электронный транспорт в гибридных сверхпроводниковых гетероструктурах с композитной ферромагнитной прослойкой. // ЖЭТФ. 2015. Т. 147. С. 1185.
  45. Borisevich, A. Y., Lupini, A. R., He, J., Eliseev, E. A., et al. Interface Dipole Between Two Metallic Oxides Caused by Localized Oxygen Vacancies. // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 86. P. 140102 (R).
  46. Ziese, M., Vrejoiu, I., Pippel, E., et al. Tailoring Magnetic Interlayer Coupling in La0.7Sr0.3MnO3/SrRuO3 Superlattices // Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104. P. 167203.
  47. Ziese, M., Bern, F., Setzer, A., et al. Existence of a Magnetically Ordered Hole Gas at the La0.7Sr0.3MnO3/SrRuO3 Interface. // The European Physical Journal B. 2013. Vol. 86. P. 42.
  48. Komissinskii, F. V., Ovsyannikov, G. A., and Ivanov, Z. G. Temperature Behavior of Electron Transport in Normal-Metal-HTSC Heterojunctions. // Phys. Solid State. 2001. Vol. 43. P. 801.
  49. Khasawneh, M. A., Khaire, T. S., Klose, C., Pratt Jr., W.P, and Birge, N. O. Spin-Triplet Supercurrent in Co-Based Josephson Junctions. // Supercond. Sci. Technol. 2011. Vol. 24. P. 024005.
  50. Khaydukov, Yu.N., Ovsyannikov, G. A., Sheyerman, A. E., Constantinian, K. Y., et al. Evidence for Spin-Triplet Superconducting Correlations in Metal-Oxide Heterostructures with Noncollinear Magnetization. // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 90. P. 035130.
  51. Volkov, A. F., Efetov, K. B. Odd Spin-Triplet Superconductivity in a Multilayered Superconductor-Ferromagnet Josephson Junction. // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 81. P. 144522.
  52. Richard, C., Houzet, M., and Meyer, J. S. Superharmonic Long-Range Triplet Current in a Diffusive Josephson Junction. // Phys. Rev. Lett. 2013. Vol. 110. P. 217004.
  53. Cohn, J. L., Neumeier, J. J., Popoviciu, C. P., McClellan, K.J., and Leventouri, Th. Local Lattice Distortions and Thermal Transport in Perovskite Manganites. // Phys. Rev. B. 1997. Vol. 56. P. R8495.
  54. Kostic, P., Okada, Y., Collins, N. C., Schlesinger, Z., Reiner, J. W., et al. Non-Fermi-Liquid Behavior of SrRuO3: Evidence From Infrared Conductivity. // Phys. Rev. Lett., 1998. Vol. 81. P. 2498.
  55. Кислинский Ю. В., Константинян К. И., Овсянников Г. А., Комиссинский Ф. В., Борисенко И. В., Шадрин А. В. Магнитозависящий сверхпроводящий транспорт в оксидных гетероструктурах с антиферромагнитной прослойкой. // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. С. 914.
  56. Klose, C., Khaire, T. S., Wang, Y., Pratt Jr., W.P., Birge, N. O., et al. Optimization of Spin-Triplet Supercurrent in Ferromagnetic Josephson Junctions. // Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 108. P. 127002.
  57. Pal, A., Barber, Z. H., Robinson, J.W.A., and Blamire, M. G. Pure Second Harmonic Current-Phase Relation in Spin-Filter Josephson Junctions. // Nature Comm. 2014. Vol. 5. P. 3340.
  58. Wild, G., Probst, C., Marx, A., Gross, R. Josephson Coupling and Fiske Dynamics in Ferromagnetic Tunnel Junctions. // Eur. Phys. J. B. 2010. Vol. 78. P. 509.
  59. Volkov, A. F., Efetov, K. B. Proximity Effect and its Enhancement by Ferromagnetism in High-Temperature Superconductor-Ferromagnet Structu-res. // Phys. Rev. Lett. 2009. Vol. 102. P. 077002.
  60. Buzdin, A. I., Mel’Nikov, A.S., and Pugach, N. G. Domain Walls and Long-Range Triplet Correlations in SFS Josephson Junctions. // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 83. P. 144515.
  61. Desfeux, R., Bailleul, S., Da Costa, A., Prellier, W., and Haghiri-Gosnet, A.M. Substrate Effect on the Magnetic Microstructure of La0.7Sr0.3MnO3 Thin Films Studied by Magnetic Force Microscopy. // Appl. Phys. Lett. 2001. Vol. 78. P. 3681.
  62. Dho, J., Kim, Y. N., Hwang, Y. S., Kim, J. C., and Hur, N. H. Strain-Induced Magnetic Stripe Domains in La0.7Sr0.3MnO3 Thin Films. // Appl. Phys. Lett. 2003. Vol. 82. P. 1434.
  63. Anwar, M. S., Czeschka, F., Hesselberth, M., Porcu, M., Aarts J. Long-Range Supercurrents Through Half-Metallic Ferromagnetic M., Porcu, M., Aarts J. Long-Range Supercurrents Through Half-Metallic Ferromagnetic CrO2. // Phys. Rev. B. 2010. Vol. 82. P. 100501.