В сверхпроводниках малых размеров, помещенных в магнитное поле, могут реализовываться достаточно необычные состояния, связанные с существованием так называемых "вихрей Абрикосова". Эксперименты японских и бельгийских ученых впервые позволили провести различие между различными типами таких состояний.

Одним из основных свойств сверхпроводников является "вытеснение" магнитного поля из объема сверхпроводника (эффект Мейснера). Говоря другими словами, магнитное поле не проникает в объем сверхпроводника - его напряженность спадает до нуля в тонком приповерхностном слое. Толщина этого слоя называется глубиной проникновения - l . Другим важнейшим параметром, характеризующим сверхпроводник, является так называемая длина когерентности x (грубо говоря, это "размер" куперовской пары - расстояние, на котором два электрона пары "чувствуют" друг друга). В зависимости от соотношения этих величин сверхпроводники делятся на два класса (рода).

Рис.1. a - схематическое изображение алюминиевого диска в четырьмя туннельными контактами (A, B, C, D); b - изображение структуры, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Для сверхпроводников первого рода x >> l ; при превышении некоторой критической величины магнитного поля (H_c) сверхпроводимость таких сверхпроводников подавляется полем и материал переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. Для сверхпроводников второго рода, для которых x << l , ситуация несколько сложнее: существует два критических поля (H_c1 и H_c2). Когда напряженность магнитного поля превышает H_c1, сверхпроводник переходит в смешанное состояние - магнитное поле начинает проникать в объем сверхпроводника в виде "нитей" (вихрей Абрикосова), но в целом материал остается в сверхпроводящем состоянии. В центре каждого вихря (на масштабе порядка длины когерентности) сверхпроводимость подавлена, а вокруг этой области текут экранирующие сверхпроводящие токи (поле проникает в область вокруг вихря на расстояние порядка l ); каждому вихрю соответствует один "захваченный" квант потока магнитного поля. Вихри взаимодействуют между собой и образуют упорядоченную структуру - решётку вихрей (как правило, треугольную решётку). По мере роста напряженности поля чисто вихрей растет, и при достижении величины H_c2 вихри сливаются и сверхпроводник переходит в нормальное состояние.

Однако в образцах с достаточно малыми размерами (сопоставимыми с длиной когерентности), согласно расчетам, должна иметь место другая картина: должна образовываться либо упорядоченная структура из нескольких вихрей, отличная от обычной решетки вихрей, либо может появляться ещё более нетипичное образование - "гигантский" вихрь, "захватывающий" одновременно несколько квантов потока магнитного поля. Несмотря на принципиальную ясность картины, зафиксировать и различить такие нетипичные состояния в эксперименте довольно трудно. Тем не менее, это недавно удалось сделать японским и бельгийским ученым [1].

Исследователи проводили эксперименты с тонким (толщиной 33 нм) алюминиевым диском диаметром 1.5 мкм (длина когерентности составляла 0.15 - 0.2 мкм), при близкой к нулю температуре - 0.03 K (температура перехода диска в сверхпроводящее состояние - 1.3. - 1.4 K). Хотя алюминий в принципе является сверхпроводником первого рода, но, вследствие малости размеров, алюминиевый диск, расположенный перпендикулярно полю, также может находиться в смешанном состоянии. Для детектирования состояния диска в магнитном поле к нему были подведены пять тонких медных проводов (рис.1), из которых один находился в непосредственном контакте с диском, а остальные четыре (A, B, C, D) были отделены от алюминиевого диска тонким диэлектрическим слоем (т.е представляли собой туннельные контакты). Ток через туннельные контакты в существенной степени зависит от распределения сверхтока в области диска и, соответственно, определяется расположением вихрей в области диска.

Рис.2. Результаты моделирования, показывающие различные стабильные состояния в зависимости от величины магнитного поля: i - (1,7) - один вихрь в центре диска, окруженный 7 вихрями; ii - 8 вихрей, расположенных по окружности; iii - гигантский вихрь в центре (синий цвет соответствует низкой плотности куперовских пар, красный - высокой, в помеченных белым цветом местах сверхпроводимость подавлена).

процессе эксперимента магнитное поле. Регистрируя падения напряжения на каждом из контактов в зависимости от магнитного поля, ученые могли отслеживать не только изменение числа квантов потока магнитного поля, но и образуемую вихрями структуру в области диска и, соответственно, определять, является ли состояние многовихревым или они имеют дело с гигантским вихрем (захватывающим одновременно несколько квантов потока магнитного поля). Сделать такое различие возможно, основываясь на сравнении экспериментальных данных с результатами моделирования на основе нелинейной теории Гинзбурга-Ландау. На рис.2 показаны различные стабильные состояния системы вихрей, соответствующие 8 квантам потока, в зависимости от магнитного поля.

Таким образом, тонкие экспериментальные измерения впервые дали возможность сделать различие между многовихревым и гигантским вихревым состоянием в мезоскопической сверхпроводниковой структуре. Стоит отметить, что подобные эксперименты могут представлять интерес не только с точки зрения фундаментальной науки или возможных практических применений сверхпроводниковых структур малых размеров, но и для исследования в недоступных для лабораторных экспериментов областей науки "по аналогии" (см. нашу новость "Властелины колец и вихрей")

1. A.Kanda, B.J.Baelus, F.M.Peeters, K.Kadowaki, and Y.Ootuka. e-print cond-mat/0411182; будет опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Е.Онищенко