Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью

Установлены закономерности обратимого изменения критического тока и дискретных токовых состояний структуры в виде сверхпроводящего квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью, при пропускании через структуру переменного транспортного тока и при одновременном с постоянным...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2018
Hauptverfasser:	Линк, С.И., Коверя, В.П., Кревсун, А.В., Бондаренко, С.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2018
Schriftenreihe:	Физика низких температур
Schlagworte:	Надпровідність, зокрема високотемпературна
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176471
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью / С.И. Линк, В.П. Коверя, А.В. Кревсун, С.И. Бондаренко // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 11. — С. 1456-1463. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-176471
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1764712025-02-09T10:12:40Z Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью Вплив змінного струму на струмові стани квантового інтерферометра, який шунтується надпровідною індуктивністю Influence of alternating current on the current states of a quantum interferometer shunted by superconducting inductance Линк, С.И. Коверя, В.П. Кревсун, А.В. Бондаренко, С.И. Надпровідність, зокрема високотемпературна Установлены закономерности обратимого изменения критического тока и дискретных токовых состояний структуры в виде сверхпроводящего квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью, при пропускании через структуру переменного транспортного тока и при одновременном с постоянным транспортным током воздействии внешнего переменного магнитного поля. Обнаружен новый тип дискретных стационарных состояний структуры при переходе интерферометра в резистивное состояние, вызванное совместным действием постоянного и переменного транспортных токов Встановлено закономірності оборотної зміни критичного струму та дискретних струмових станів структури у вигляді надпровідного квантового інтерферометра, який шунтується надпровідною індуктивністю, при пропусканні через структуру змінного транспортного струму та при одночасному з постійним транспортним струмом впливом зовнішнього змінного магнітного поля. Виявлено новий тип дискретних стаціонарних станів структури під час переходу інтерферометра в резистивний стан при сумісній дії постійного і змінного транспортних струмів. Laws of reversible change of a critical current and discrete current states of the structure in the form of superconducting quantum interferometer, shunted by superconducting inductance are established, at passing through the structure alternating transport current and at simultaneous influence with a transport current of an external alternating magnetic field. The new type of discrete stationary states of the structure is found out at transition of an interferometer in a resistive state caused by joint action of direct and alternating transport currents. 2018 Article Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью / С.И. Линк, В.П. Коверя, А.В. Кревсун, С.И. Бондаренко // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 11. — С. 1456-1463. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0132-6414 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176471 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Надпровідність, зокрема високотемпературна Надпровідність, зокрема високотемпературна
spellingShingle	Надпровідність, зокрема високотемпературна Надпровідність, зокрема високотемпературна Линк, С.И. Коверя, В.П. Кревсун, А.В. Бондаренко, С.И. Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью Физика низких температур
description	Установлены закономерности обратимого изменения критического тока и дискретных токовых состояний структуры в виде сверхпроводящего квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью, при пропускании через структуру переменного транспортного тока и при одновременном с постоянным транспортным током воздействии внешнего переменного магнитного поля. Обнаружен новый тип дискретных стационарных состояний структуры при переходе интерферометра в резистивное состояние, вызванное совместным действием постоянного и переменного транспортных токов
format	Article
author	Линк, С.И. Коверя, В.П. Кревсун, А.В. Бондаренко, С.И.
author_facet	Линк, С.И. Коверя, В.П. Кревсун, А.В. Бондаренко, С.И.
author_sort	Линк, С.И.
title	Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью
title_short	Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью
title_full	Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью
title_fullStr	Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью
title_full_unstemmed	Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью
title_sort	влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Надпровідність, зокрема високотемпературна
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/176471
citation_txt	Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью / С.И. Линк, В.П. Коверя, А.В. Кревсун, С.И. Бондаренко // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 11. — С. 1456-1463. — Бібліогр.: 9 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT linksi vliânieperemennogotokanatokovyesostoâniâkvantovogointerferometrašuntirovannogosverhprovodâŝejinduktivnostʹû AT koverâvp vliânieperemennogotokanatokovyesostoâniâkvantovogointerferometrašuntirovannogosverhprovodâŝejinduktivnostʹû AT krevsunav vliânieperemennogotokanatokovyesostoâniâkvantovogointerferometrašuntirovannogosverhprovodâŝejinduktivnostʹû AT bondarenkosi vliânieperemennogotokanatokovyesostoâniâkvantovogointerferometrašuntirovannogosverhprovodâŝejinduktivnostʹû AT linksi vplivzmínnogostrumunastrumovístanikvantovogoínterferometraâkijšuntuêtʹsânadprovídnoûínduktivnístû AT koverâvp vplivzmínnogostrumunastrumovístanikvantovogoínterferometraâkijšuntuêtʹsânadprovídnoûínduktivnístû AT krevsunav vplivzmínnogostrumunastrumovístanikvantovogoínterferometraâkijšuntuêtʹsânadprovídnoûínduktivnístû AT bondarenkosi vplivzmínnogostrumunastrumovístanikvantovogoínterferometraâkijšuntuêtʹsânadprovídnoûínduktivnístû AT linksi influenceofalternatingcurrentonthecurrentstatesofaquantuminterferometershuntedbysuperconductinginductance AT koverâvp influenceofalternatingcurrentonthecurrentstatesofaquantuminterferometershuntedbysuperconductinginductance AT krevsunav influenceofalternatingcurrentonthecurrentstatesofaquantuminterferometershuntedbysuperconductinginductance AT bondarenkosi influenceofalternatingcurrentonthecurrentstatesofaquantuminterferometershuntedbysuperconductinginductance
first_indexed	2025-11-25T19:31:56Z
last_indexed	2025-11-25T19:31:56Z
_version_	1849792033350221824
fulltext	Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11, c. 1456–1463 Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью С.И. Линк, В.П. Коверя. А.В. Кревсун, С.И. Бондаренко Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Науки, 47, г. Харьков, 61103, Украина E-mail: bondarenko@ilt.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 15 марта 2018 г., после переработки 11 апреля 2018 г., опубликована онлайн 26 сентября 2018 г. Установлены закономерности обратимого изменения критического тока и дискретных токовых со- стояний структуры в виде сверхпроводящего квантового интерферометра, шунтированного сверхпрово- дящей индуктивностью, при пропускании через структуру переменного транспортного тока и при одно- временном с постоянным транспортным током воздействии внешнего переменного магнитного поля. Обнаружен новый тип дискретных стационарных состояний структуры при переходе интерферометра в резистивное состояние, вызванное совместным действием постоянного и переменного транспортных токов. Ключевые слова: квантовый интерферометр, шунтирующая индуктивность, транспортный ток, магнит- ное поле, дискретные состояния. 1. Введение Работа посвящена изучению токовых характеристик сверхпроводящего квантового интерферометра (СКИ), шунтированного большой, по сравнению с индуктив- ностью СКИ, сверхпроводящей индуктивностью (СИ) (см. рис. 1). Шунтирование СКИ с помощью СИ был предложе- но нами несколько лет назад [1–4]. Как было показа- но [2,3], с помощью такой структуры можно одновре- менно измерять энергетическую щель и время релак- сации сверхпроводящего состояния сверхпроводников. При этом может быть существенно повышена точность измерения этих основных параметров сверхпроводни- ков по сравнению с ранее известными методами. Ма- тематическое описание процессов в структуре СКИ-СИ находится в стадии разработки. Некоторые модельные представлення о них анализируются в настоящей работе. Ранее другими авторами было предложено и широ- ко исследовалось шунтирование СКИ с помощью оми- ческих сопротивлений [5], электрических емкостей [6] и индуктивностей из несверхпроводящих металлов [7]. Результатом создания таких структур явилось управ- ление различными электрическими характеристиками СКИ с целью расширения области их применения в науке и технике. Целью настоящей работы было экспериментальное изучение новых характеристик структуры СКИ-СИ, содержащих дополнительную информацию о ее токо- вых состояниях. В отличие от основных характеристик структуры каждая из новых характеристик связывает не два электрических параметра, а три. Например, за- висимость I1(I) приобретает иной вид при дополни- тельном воздействии на структуру путем наложения на Рис. 1. Схема структуры СКИ-СИ; 1, 2 — контакты Джозеф- сона, I — поступающий в структуру транспортный ток, I1 — ток в большой сверхпроводящей индуктивности L, ФЗ — датчик феррозондового магнитометра. © С.И. Линк, В.П. Коверя. А.В. Кревсун, С.И. Бондаренко, 2018 Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра контур с СИ поля Н или добавлением переменно- го транспортного тока ~I . Всего изучены (подробнее см. разд. 2, 3) четыре новые зависимости, позволяю- щие установить токовые квантовые состояния струк- туры при комплексном воздействии постоянного и переменного транспортных токов, а также постоянного и переменного магнитных полей. 2. К теории основных характеристик структуры СКИ-СИ Важной работой, послужившей отправным момен- том при создании и изучении структуры СКИ-СИ, яви- лась фундаментальная статья Сильвера и Циммермана, опубликованная 50 лет назад [8]. В статье исследованы токовые квантовые состояния простейшего СКИ с од- ним сверхпроводящим точечным контактом (рис. 2(а)). Наложение внешнего магнитного поля Нe на контур СКИ вызывает возникновение в нем циркулирующего тока i, который по мере увеличения Нe достигает зна- чения ic. При выполнении условия ( )0 0/ / 2 1cL i Ф = , (1) где L0, ic, Ф0 — индуктивность, критический ток кон- такта контура СКИ и квант магнитного потока, суще- ствует периодическая зависимость тока i от внешнего магнитного потока Фe (рис. 2(б)) с дискретными пере- ходами тока i при полуквантовых значениях потока внешнего магнитного поля с периодом ΔФe = Ф0. При этом магнитный поток Ф в контуре СКИ изменяется также дискретно квантами потока Ф0 [8]. Во время скач- ка циркулирующего тока СКИ на нем кратковременно возникает напряжение и резистивность R (рис. 2(в)). Аналогичные зависимости i(Ф) и Ф(Фе) также имеют место и в том случае, если магнитный поток Фе созда- ется постоянным транспортным током I, текущим че- рез такой СКИ (рис. 2(а)) [8]. Основными электрическими характеристиками струк- туры СКИ-СИ являются: зависимость тока (I1) через СИ от величины постоянного транспортного тока (I) через СКИ [1,2] и зависимость тока I1 от внешнего постоян- ного магнитного поля (Н) через сверхпроводящий кон- тур с СИ при нулевом транспортном токе (I = 0). Типич- ный вид указанных зависимостей показан на рис. 3 [4]. Для анализа процессов в структуре СКИ-СИ вначале необходимо рассмотреть особенности использования в ней СКИ с двумя контактами, через который пропуска- ется постоянный транспортный ток I (рис. 2(г)). Для то- го, чтобы этот ток создавал магнитный поток Фе через контур такого СКИ, необходимо, чтобы он был асим- метричным по величине критических токов контактов. Следует отметить, что появление результирующего маг- нитного потока Фе в сверхпроводящем контуре с отно- сительно большой индуктивностью (10–8 Гн) с двумя различными по критическому току пленочными мости- ковыми контактами по одному в каждой из его ветвей было недавно нами подтверждено прямыми измерения- ми магнитного поля на поверхности этого контура [9]. Там же было показано, что начало появления магнит- ного потока в таком контуре происходит плавно, т.е. без скачка, и соответствует достижению критического тока более слабого мостика. Структура СКИ-СИ, показанная на рис. 1, фактиче- ски является большим сверхпроводящим контуром, од- на из ветвей которого является асимметричным двух- Рис. 2. Схема одноконтактного СКИ (а) и его характеристики в зависимости от внешнего магнитного потока Фе поля Нe (при условии 0 0/ ( / 2) 1cL i Φ = , см. текст) для нормированных величин: циркулирующего тока (i) интерферометра [8] (б) и импульсно возникающей резистивности (R) СКИ (в), схема двухконтактного СКИ (г). Рис. 3. Схематический вид типичных основных характерис- тик структуры СКИ-СИ с критическим током Ic: зависимости тока I1 в ветви с индуктивностью L (рис. 1) от транспортного тока I (а) и от внешнего магнитного поля Н (б). Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 1457 С.И. Линк, В.П. Коверя. А.В. Кревсун, С.И. Бондаренко контактным СКИ с экстремально малой индуктивно- стью (L0 ≈ 10–13 Гн) [2,3], а другая является его частью со значительно большей индуктивностью (L = 10–6 Гн). Рассмотрим особенности процессов в такой струк- туре. Вначале остановимся на причине появления пер- вой из основных зависимостей, а именно на зависимо- сти I1(I), показанной на рис. 3(а). В большинстве из исследованных нами экземпляров структуры критический ток, соответствующий первому скачку на зависимости I1(I), был существенно больше, чем протяженность ступеней вдоль направления тока I. При этом протяженность и высота ступеней равны друг другу, а их период по току I соответствует перио- ду интерференционных изменений напряжения на изо- лированном от контура СКИ (в виде прижимного то- чечного контакта (ПТК)) в резистивном состоянии, если пропускать ток по одному из микропроводов, обра- зующих СКИ. Подобные интерференционные зависи- мости можно также получить, воздействуя на изолиро- ванный СКИ внешним магнитным полем. Это является доказательством того, что при токе I, большем крити- ческого тока структуры (Ic), периодические ступени на зависимости I1(I) являются следствием периодического изменения квантовых токовых состояний асимметрич- ного СКИ под действием магнитного потока, создавае- мого в нем током I. Теперь рассмотрим состояние СКИ при I < Ic. На определенном значительном промежутке роста транспортного тока от нуля этот ток не создает в нем магнитного потока Ф в силу закона Лауэ о распре- делении тока в сверхпроводящем двухсвязном контуре СКИ. Первым достигает критического состояния один из двух микроконтактов СКИ (рис. 1), имеющий мень- ший критический ток (обозначим его Ic1). При этом СКИ в целом остается в сверхпроводящем состоянии. Даль- нейшее увеличение тока I вызывает появление потока Ф в СКИ, так как транспортный ток через первый кон- такт не меняется, а начинает течь только через второй с большим критическим током Ic2. В результате в кон- туре СКИ появляется дополнительный диамагнитный циркулирующий ток i, подобный тому, который пока- зан на рис. 2(б). Если эта добавка (Δi) составит значе- ние, соответствующее соотношению ( )0 0 0 2 1 0/ /( 2) / 2( )/ 1c cL i L I I Φ=Φ∆ − = , (2) то в контур СКИ, по нашему мнению, скачком войдет квант потока Ф0, подобно тому как это происходит в случае одноконтактного СКИ в соответствии с соот- ношением (1). Как видно из (2), в случае использова- ния двухконтактного асимметричного СКИ в составе структуры СКИ-СИ возникновение в ней критического квантового состояния определяется разностью крити- ческих токов микроконтактов СКИ, а не абсолютными их значениями. В момент входа кванта потока на СКИ, как было показано в [2], возникает импульс напряжения 0 /iV t= Φ δ , δt — длительность импульса, /t L Rδ ≈ , R — резистивность СКИ в момент импульса. Появле- ние резистивности СКИ приводит к скачкообразному переключению части транспортного тока I i∆ = ∆ = 2 1 0 0/ 2c cI I L= − = Φ в контур СИ (рис. 3(а)). Ток I1 в СИ увеличивается на величину 1 0 0/ 2I L∆ = Φ . После этого сверхпроводимость СКИ восстанавливается, но ток через него становится равным нулю, так как вер- нувшийся в СКИ транспортный ток, равный ΔI, ком- пенсируется противоположно направленным и равным по величине замороженным в большом контуре струк- туры СКИ-СИ током ΔI1. При дальнейшем увеличении транспортного тока ( 0 0/ 2I Ф L> ) через СКИ в нем вновь возникает диамагнитный ток при сохранении в СИ за- мороженного тока ΔI1. Сохранение замороженного то- ка I1 при дальнейшем увеличении тока I до достижения нового скачка циркулирующего тока означает образо- вание «плато» на зависимости I1(I). Дальнейшее увели- чение транспортного тока приводит к периодическому повторению описанного выше процесса и периодиче- скому формированию следующих «ступеней» на этой зависимости. Теперь рассмотрим токовые процессы при форми- ровании зависимости I1(Н). При этом считаем, что асим- метричный СКИ в структуре СКИ-СИ обладает теми же свойствами, которые были приведены для СКИ с транспортным током. Увеличение внешнего магнитно- го поля Н создает в большом (с СИ) контуре структуры магнитный поток Ф1 и возбуждает в нем диамагнит- ный ток I1: 1 1 0( )/ /I L НS L= Φ = µ , (3) где µ0, S, L — соответственно, магнитная проницае- мость воздуха, площадь большого контура СКИ-СИ, индуктивность этого контура. Этот ток, в свою очередь, возбуждает магнитный поток Фе ≡ Ф2 в контуре СКИ. Поток Ф2 вызывает появление диамагнитного цирку- лирующего тока i = Ф2/L0 в контуре СКИ. В случае выполнения соотношения (2) вначале диамагнитный ток i увеличивается пропорционально росту Н вплоть до достижения соотношения 2 1 0 0( ) ( )/ 2c ci I I Ф L∆ = − = . В этот момент ток i в СКИ скачком меняет свое на- правление с диамагнитного на парамагнитное. Магнит- ный поток в СКИ в этот момент равен Ф0/2. Одно- временно со скачком тока i в СКИ на нем должен возникать импульс напряжения и кратковременная ре- зистивность в контуре СКИ-СИ. Квант потока Ф0 вхо- дит в большой контур структуры. Ток I1 уменьшается на 1 2 1( )c cI I I∆ = − . После этого структура возвращает- ся в сверхпроводящее состояние. Действующее в это время магнитное поле Н вызывает диамагнитный ток в СКИ, который компенсирует указанный выше пара- магнитный ток. В результате после изменения потока в СКИ на половину кванта ток через него не течет. Дальнейшее увеличение поля вновь возбуждает диа- 1458 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра магнитные токи в большом контуре и в СКИ, т.е. токо- вый процесс повторяется. Таким образом возникает пе- риодичность повторения резких («пилообразных») спа- дов диамагнитного тока в большом контуре согласно приведенной модели токовых процессов. Зависимость на рис. 3(б) соответствует описанным выше изменени- ям токов в структуре. Из изложенного следует также, что глубина моду- ляции тока I1 на зависимости I1(Н) должна быть рав- ной размеру ступеней на зависимости I1(I). 3. Постановка эксперимента В настоящей работе структура СКИ-СИ представля- ет собой цилиндрическую катушку с индуктивностью L ≈10–6 Гн из сверхпроводящего ниобиевого микро- провода диаметром 70 мкм, концы которой в месте их пересечения сжимались для образования прижимного точечного контакта в соответствии с рис. 4. Внутри катушки установлен датчик феррозондового магнито- метра, измеряющего магнитное поле тока в катушке. Схема измерений токовых характеристик такой струк- туры показана на рис. 5. Способ образования структуры СКИ-СИ подобен описанному в наших ранних работах [1–3]. ПТК в мес- те прижатия ниобиевых микропроводов представляет собой один (k = 1) или несколько (k > 1) микроконтак- тов в зависимости от структуры поверхности микро- провода и силы сжатия микропроводов [8]. В случае образования двух микроконтактов (k = 2) такой ПТК является двухконтактным СКИ постоянного тока [5]. Для исследования отбирались такие ПТК, которые при их исследовании в жидком гелии имели типичную для двухконтактного СКИ периодическую зависимость на- пряжения от внешнего магнитного поля [5]. Внутрь ци- линдрической сверхпроводящей катушки, являющейся частью СИ, помещался датчик (ФЗ) феррозондового магнитометра (см. рис. 5) с чувствительностью 10–5 Э. При возникновении тока в катушке СИ датчик измерял магнитное поле этого тока. Для определения величины возникающего в этой катушке тока проводилась пред- варительная калибровка магнитометра пропусканием известного тока через эту катушку и отсчета показания магнитометра. Транспортные постоянный (I) и пере- менный ( ~I ) токи подавались к СКИ согласно схеме, показанной на рис. 5. Постоянный и переменный токи могли регулироваться в пределах 0–1 А и 0–50 мА со- ответственно. Частота переменного тока устанавлива- лась с помощью низкочастотного генератора звуковых частот в диапазоне 20–75 Гц. Магнитное поле (Н) со- здавалось в результате пропускания постоянного тока через плоскую медную катушку с внешним диаметром 8 мм. Катушка размещалась в плоскости контура СИ в пространстве с площадью около 1 см2 между ПТК и датчиком ФЗ. Магнитные оси датчика ФЗ и катушки были взаимно перпендикулярны, что исключало прямое воздействие поля катушки на датчик ФЗ. Соотношение между величиной магнитного поля Н, создаваемого пло- ской катушкой, и током IH, возбуждаемым этим полем в СКИ, было рассчитано, исходя из геометрических размеров катушки, размеров структуры СКИ-СИ и маг- нитной связи между ними. Это позволило при анализе характеристик структуры СКИ-СИ (см. ниже) влияние поля Н на нее выражать с помощью величины тока IH. Структура СКИ-СИ находилась в жидком гелии при нормальном давлении (Т = 4,2 К). Для защиты от внеш- них электромагнитных помех в лаборатории криостат со структурой размещался в двухслойном пермалоевом экране. Регистрация токовых характеристик структуры производилась с помощью двухкоординатного элек- тромеханического самописца Н-307. Ф3 I1 I1 I1 I2 I I L Рис. 4. Схема экспериментальной структуры СКИ-СИ: I2 — направление транспортного тока I до достижения им крити- ческой величины в прижимном контакте, I1 — направление транспортного тока после достижения им критической вели- чины в контакте. Рис. 5. Электрическая схема измерений: ИН1 — источник напряжения для создания тока I, ИН2 — источник напряже- ния для создания тока в плоской катушке С, генерирующей магнитное поле Н, ЗГ — генератор звуковых частот для соз- дания переменного тока I~ в виде транспортного тока или в виде тока через плоскую катушку С, Р — регистратор вели- чины магнитного поля, измеряемого с помощью феррозонда ФЗ, А — прижимной точечный контакт ниобий–ниобий, об- разованный в точке пересечения ниобиевых микропроводов. Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 1459 С.И. Линк, В.П. Коверя. А.В. Кревсун, С.И. Бондаренко 4. Экспериментальные результаты и их обсуждение Вначале рассмотрим зависимость I1(I) при разных значениях H (рис. 6). Видно, что увеличение IH приводит к уменьшению критического тока СКИ. Критический ток определялся по появлению первой ступени тока I1. В соответствии с представлениями о процессах в данной структуре, изло- женными выше, критическое состояние структуры в виде скачка тока I1 происходит при токе I, когда маг- нитный поток Ф в контуре СКИ, созданный этим током, достигает полуцелого значения кванта потока Ф0. Обра- зование такого потока Ф возможно, как указывалось в разд. 2, если СКИ является асимметричным. На рис. 6(б) представлена экспериментальная зависимость критического тока СКИ от величины IH. Как оказалось для конкретной исследованной структуры, ее критиче- ский ток уменьшается на одну токовую ступень при увеличении внешнего магнитного поля Н на 0,1 Э. Видно, что при выбранных направлениях поля и тока I реализуется линейная спадающая зависимость крити- ческого тока структуры СКИ-СИ от величины IH. Такая зависимость может быть объяснена сложением тока IH, возбуждаемого полем в большом контуре СКИ-СИ, и транспортного тока I. При этом полевой ток совпадает по направлению с транспортным и «забирает» на себя часть сверхпроводящего тока через СКИ. В результате критическое состояние СКИ достигается при меньшем значении транспортного тока I. При этом сумма (I + IH) остается неизменной: 0H сI I I+ = , (4) где Ic0 — значение критического тока структуры при Н = 0. Таким образом, зависимость Ic(IH) на рис. 6(б) мо- жет быть представлена соотношением 0 01( )/с с H сI I I I= − . (5) Теперь рассмотрим зависимость I1(I) при разных зна- чениях переменного транспортного тока ~I (рис. 7). При увеличении ~I вначале происходит линейное уменьшение критического тока СКИ (подобно зависи- мостям I1(I) при увеличении IH), как это видно на рис. 6(б). Этот участок зависимости можно описать соотношением ~ 0 01 )/(c c cI I I I= − . (6) Такую зависимость можно объяснить тем, что по- стоянный ток I складывается с полуволной переменно- го тока того же направления и вызывает появление первой ступени тока I1 при все меньших значениях постоянного Ic. Противоположная полуволна не может повлиять на величину критического тока, так как вычи- тается из значения тока I. Начиная со значения ~I ≈ Ic0, зависимости I1(I) начинают кардинально отличаться от зависимостей при меньших величинах ~I . Появляются ступени тока I1 с меньшими размерами и меньшим пе- риодом между ними вплоть до их полного исчезновения при относительно небольшом превышении (δ) ампли- туды переменного тока ~I над исходным критическим постоянным током СКИ Ic0 ( ~I ≈ Ic0 + δ, где δ — длина ступени при ~I < Ic0). Объяснением указанного эффек- та может быть появление резистивного состояния СКИ при ~I > Ic0, так как при наличии переменного тока сверхпроводящая катушка с ФЗ перестает быть шунтом c нулевым импедансом, а становится индуктивным со- противлением 2Lx fL= π (при f =75 Гц xL ≈ 0,5 10–3 Ом). В результате критическое состояние СКИ начинает оп- ределяться суммой полупериода переменного и величи- ной постоянного транспортного тока. С увеличением переменного тока доля постоянного тока при форми- ровании токовых ступеней уменьшается и постоянный ток формирует ступени со все меньшей длиной вплоть до их исчезновения. Это новое состояние структуры можно назвать закритическим квантовым токовым со- стоянием в отличие от докритических квантовых со- Рис. 6. Зависимости тока I1 в индуктивности L от величины транспортного тока I при различных значениях тока IH, мА: 0 (1), 9 (2), 18 (3), 35 (4), 38 (5), 40 (6), возбуждаемого в контуре структуры СКИ-СИ внешним магнитным полем Н (а), зависимость критического тока СКИ от тока IH (б). 1460 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра стояний при ~I < Ic0. Для уточнения закономерностей образования и исчезновения ступеней с ростом пере- менного тока требуются дальнейшие исследования. Рассмотрим теперь зависимость I1(IH) при разных I (рис. 8). На рис. 8 видно, что при увеличении транс- портного тока I наблюдаемый критический ток Ic СКИ уменьшается. Зависимость критического тока от I по- казана на рис. 8(б). Такой вид зависимости I1(IH) при разных I фактически является подтверждением зависи- мости I1(I) при различных значениях IH. Поэтому влия- ние на зависимость I1(IH) тока I может быть объяснено подобно тому, как это объяснялось выше в случае влия- ния поля Н на зависимость I1(I). При этом зависимость критического тока (Ic) СКИ от транспортного тока I выражается соотношением 0 01( / )c c cI I I I= − . (7) Наконец рассмотрим зависимость I1(IH) при разных переменных транспортных токах ~I (рис. 9). Рис. 7. Зависимости тока I1 в индуктивности L от постоянного транспортного тока при различных значениях амплитуды пере- менного транспортного тока ~I , мA: 0 (1), 17 (2), 35 (3), 40 (4), 43,5 (5), 44 (6), 44,5 (7), 46,5 (8) (а); зависимость критического постоянного тока Ic СКИ от амплитуды переменного тока I~ с частотой 75 Гц (б); Ic0 ≈ 43 мA. Рис. 8. Зависимости тока I1 в индуктивности L от тока IH, возбужденного внешним магнитным полем Н в контуре структуры СКИ-СИ при различных значениях постоянного транспортного тока I, мA: 0 (1), 10 (2), 20 (3), 30 (4), 40 (5) (а); зависимость критического тока Ic структуры от постоянного транспортного тока I (б). Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 1461 С.И. Линк, В.П. Коверя. А.В. Кревсун, С.И. Бондаренко На рис. 9 видно, что при увеличении переменного тока ~I одна из его полуволн может складываться с постоянным током (IH), возбуждаемым внешним маг- нитным полем. Это сложение вызывает уменьшение необходимого для достижения критического состояния СКИ тока IH, а следовательно, и внешнего поля Н. Таким образом, видно, что наблюдаемое влияние ~I на кри- тическое состояние структуры аналогично влиянию то- ка ~I на характеристику I1(I), рассмотренную выше. По- лученную зависимость можно описать соотношением ~ 0 01 )/(c c cI I I I= − . (8) Следует отметить, что влияние переменного тока на все описанные характеристики не зависело от частоты переменного тока в диапазоне частот f = 20–75 Гц. 5. Заключение Измерения тока I1, возникающего в большой индук- тивности структуры СКИ-СИ при одновременном про- текании через нее токов от двух различных источников, существенно расширило представление о возможных квантовых состояниях этой структуры. Благодаря этим измерениям установлена и объяснена возможность уп- равления критическим постоянным током (Ic) СКИ не- сколькими способами. В частности, обнаружено, что управление постоянным критическим током можно про- водить с помощью переменного транспортного ( ~I ) и пе- ременного тока ( ~ HI ), создаваемого внешним переменным магнитным полем. Эта особенность позволяет прогно- зировать влияние реально существующих в простран- стве электромагнитных помех на точность измерения энергетической щели и времени релаксации сверхпро- водящего состояния интерференционным методом. Обнаружено, что изменение критического транс- портного тока Ic СКИ и квантовых «ступеней» тока I1 через индуктивность при совместном действии посто- янного и переменного транспортных токов существенно зависит от соотношения значений ~I и Ic0 (Ic0 — кри- тический ток структуры при ~I =0). При ~ 0( ) cI I I+ ≤ переменный ток вызывает только уменьшение наблю- даемого критического постоянного тока СКИ вплоть до нуля при сохранении размеров и периодичности квантовых ступеней тока I1. При ~I > Ic0 переменный ток вызывает уменьшение высоты и длины ступеней вплоть до нуля при ~I ≈ Ic0 + δ (δ — длина ступеней при ~I < Ic0) и соответствующее уменьшение их пе- риода. Таким образом, впервые установлено существо- вание закритических квантовых состояний структуры, отличающихся от докритических. ________ 1. В.П. Коверя, С.И. Бондаренко, А.В. Кревсун, Н.М. Левченко, И.С. Бондаренко, ФНТ 36, 759 (2010) [Low Temp. Phys. 36, 605 (2010)]. 2. С.И. Бондаренко, В.П. Коверя, А.В. Кревсун, Л.В. Гнездилова, ФНТ 41, 235 (2015) [Low Temp. Phys. 41, 179 (2015)]. 3. S. Bondarenko and V. Koverya, Intern. J. Modern Phys. B 29, 1542013 (2015). 4. S.I. Bondarenko, L.V. Gnezdilova, V.P. Koverya, and A.V. Krevsun, Metallofizika i Noveishie Tekhnologii 35, 27 (2013). Рис. 9. Зависимости тока I1 в индуктивности L от тока IH, возбужденного внешним магнитным полем в контуре структуры СКИ-СИ, при различных значениях амплитуды переменного транспортного тока ~I , мA: 10 (1), 20 (2), 30 (3), 43 (4) (а); зави- симость критического постоянного тока Ic СКИ от амплитуды переменного транспортного тока ~I (б). 1462 Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 https://doi.org/10.1063/1.3480999 https://doi.org/10.1063/1.3480999 https://doi.org/10.1063/1.4915915 https://doi.org/10.1142/S0217979215420138 Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра 5. Superconductor Applications: SQUIDs and Machines, B.B. Schwartz and S. Foner (eds.), Frances bitter National Magnet Lab., M.I.T. Cambridge, Massachusetts, Plenum Press, N.Y. (1977). 6. F.L. Vernon and R.J. Pedersen, J. Appl. Phys. 39, 2661 (1968). 7. L. Frolich, H. Koch, W. Vodel, D. Wachter, and O. Frauenberger, Wissenschaftliche Zietschrift der Fridrich Schiller Universitat 1/2, 197 (1973). 8. A.H. Silver and J.E. Zimmerman, Phys. Rev. 157, 317 (1967). 9. А.В. Кревсун, Л.В. Гнездилова, В.П. Коверя, С.И. Бондаренко, ФНТ 39, 1327 (2013) [Low Temp. Phys. 39, 1032 (2013)]. ___________________________ Вплив змінного струму на струмові стани квантового інтерферометра, який шунтується надпровідною індуктивністю С.І. Лінк, В.П. Коверя. О.В. Кревсун, С.І. Бондаренко Встановлено закономірності оборотної зміни критичного струму та дискретних струмових станів структури у вигляді надпровідного квантового інтерферометра, який шунтується надпровідною індуктивністю, при пропусканні через струк- туру змінного транспортного струму та при одночасному з постійним транспортним струмом впливом зовнішнього змінного магнітного поля. Виявлено новий тип дискретних стаціонарних станів структури під час переходу інтерферо- метра в резистивний стан при сумісній дії постійного і змін- ного транспортних струмів. Ключові слова: квантовий інтерферометр, шунтуюча індукти- вність, транспортний струм, магнітне поле, дискретні стани. Influence of alternating current on the current states of a quantum interferometer shunted by superconducting inductance S.I. Link, V.P. Koverya, A.V. Krevsun, and S.I. Bondarenko Laws of reversible change of a critical current and discrete current states of the structure in the form of superconducting quantum interferometer, shunted by superconducting inductance are established, at passing through the structure alternating transport current and at simultaneous influence with a transport current of an external alternating magnetic field. The new type of discrete stationary states of the structure is found out at transition of an interferometer in a resistive state caused by joint action of direct and alternating transport currents. Keywords: quantum interferometer, shunting inductance, trans- port current, magnetic field, discrete states. Low Temperature Physics/Фізика низьких температур, 2018, т. 44, № 11 1463 https://doi.org/10.1063/1.1656649 https://doi.org/10.1103/PhysRev.157.317 https://doi.org/10.1063/1.4843195 1. Введение 2. К теории основных характеристик структуры СКИ-СИ 3. Постановка эксперимента 4. Экспериментальные результаты и их обсуждение 5. Заключение

Влияние переменного тока на токовые состояния квантового интерферометра, шунтированного сверхпроводящей индуктивностью

Institution

Ähnliche Einträge