Реферат Эффект спинового клапана в наноструктуре ферромагник сверхпроводник ферромагнетик во внешнем маг
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2015-10-28Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего
от 25%

Подписываем
договор
Министерство образования и науки Российской Федерации
КАЗАНСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ ФИЗИКИ
КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
Направление: 510400-физика
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
(магистерская диссертация)
ЭФФЕКТ СПИНОВОГО КЛАПАНА В НАНОСТРУКТУРЕ
ФЕРРОМАГНИК\СВЕРХПРОВОДНИК\ФЕРРОМАГНЕТИК
ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Работа завершена:
” ” 2011г. (И.М.Сагдиев)
Работа допущена к защите:
Научный руководитель
д.ф.-м.н., профессор
” ” 2011г. (Ю.Н.Прошин)
Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор
” ” 2011г. (Ю.Н.Прошин)
Казань 2011
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3
ГЛАВА 1. АНТОГОНИЗМ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И МАГНЕТИЗМА
§1.1. Проблема сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в различных системах……..
§1.2. Обзор работ по эффекту спинового клапана в FM1/S/FM2…………
§1.3. Формулировка краевой задачи для FM/S контакта во внешнем магнитном поле………………………………………………………………..
ГЛАВА 2. РАСЧЁТ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРИПЛЕНКИ FM1/S/FM2
§ 2.1. Верхнее перпендикулярное критическое магнитное поле Нс2┴ структуры FM1/S/FM2
§ 2.2. Верхнее параллельное критическое магнитное поле Нс2‖ структуры FM1/S/FM2
§ 2.3. Обезразмеривание уравнений перед численным моделированием…
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………….
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….
ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………….....
ВВЕДЕНИЕ
Объектом исследования является тонкослойная несимметричная структура FM1/S/FM2.
Целью работы заключается в решении следующих задач:
1) На основе сформулированной краевой задачи для функции Узаделя, с граничными условиями предложенными авторами работы [1], обобщить данную краевую задачу в присутствии внешнего магнитного поля для несимметричной трипленки FM1/S/FM2.
2) Получить системы трансцендентных уравнений на температуру перехода для трипленки FM1/S/FM2 в случае перпендикулярного и параллельного магнитных полей с учетом зависимости от прочих различных параметров, характеризующих рассматриваемую систему.
3) Используя численные методы, решить полученные системы трансцендентных уравнений и выявить оптимальные параметры для наблюдения эффекта спинового клапана в данной структуре.
4) Используя численные методы, изучить зависимости температуры перехода в нормальное состояние трёхслойных наноструктур состоящих из пленок ферромагнитного металла (FM) и сверхпроводника (S) в зависимости от величины приложенного магнитного поля и параметров системы, таких как прозрачности границ раздела, толщин пленок, величины и направления намагниченности FM-слоев, длины свободного пробега куперовских пар. Построить соответствующие фазовые диаграммы.
Методологические принципы работы заключаются в том, что вычисления основаны на теориях развитых ранее для соответствующих систем в отсутствии магнитного поля [1], тогда как в данной работе производится обобщение на случай ненулевого магнитного поля и изменениями в геометрической симметрии рассматриваемого объекта.
Научная новизна работы заключается в изучение эффекта близости в несимметричной трипленке FM1/S/FM2 в присутствии магнитного поля с учётом прозрачности границы раздела пленок.
Практическая ценность магистерской работы заключается в том, что изучаемая в ней трёхслойная система FM1/S/FM2 являются подсистемой для логических элементов нового типа (спиновые переключатели) на основе взаимосвязи сверхпроводящего и магнитного параметра порядка в трёхслойных F/S/F-структурах и сверхрешетках F/S Рис.1. Таким образом, общетеоретический интерес к проблеме взаимного влияния сверхпроводимости и магнетизма в F/S системах, или как в рассматриваемом нами варианте таких систем FM/S(ферромагнитный металл/сверхпроводник), а также богатый экспериментальный материал и возможные технические применения делают обсуждаемую проблему весьма актуальной [2].
Рис.1. Многослойные F
/
S
- системы, изучаемые в экспериментах: бислои, трислои и сверхрешетки.
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и характеризуются научная новизна и значимость полученных результатов, а также кратко описана сложность FM/S систем.
В первой главе рассмотрены с практической и теоретической сторон явления сверхпроводимости и ферромагнетизма, а также их сосуществование в слоистых системах и первая феноменологическая теория Гинзбурга-Ландау.
Во второй главе приведено решение поставленной задачи для тонкого FM1/S/FM2 контакта в грязном пределе.
В заключении формулируются выводы, и приводится перечень основных результатов, полученных в квалификационной работе.
В списке литературы находится литература, которая была использована в процессе решения поставленных задач и на которую имеются ссылки в самом тексте диссертации.
В приложении приводятся графики, полученные с помощью численных методов, на основе выведенных уравнений.
ГЛАВА 1.
§1.1. Проблема сосуществования сверхпроводимости и магнетизма в различных системах
§1.2. Обзор работ по эффекту спинового клапана в
FM
1
/
S
/
FM
2
§ 1.2. Формулировка краевой задачи для
FM
/
S
контакта во внешнем магнитном поле
Вначале мы рассмотрим случай без магнитного поля и для него получим краевую задачу для функции Узаделя, после чего внесём изменения в полученные уравнения вызванные наличием внешнего магнитного поля.
Рассмотрим плоский контакт [2] между ферромагнитным металлов (FM), занимающим область
Здесь
Ядро интегрального уравнения (2.1) определяется выражением:
где
В нашем простейшем случае теории ПП
где
Усреднение по немагнитным примесям в выражении (2.2) проводится с помощью диаграммной техники Абрикосова и Горькова [10]. Оказывается, что для FM/S- контакта двухчастичный коррелятор является решением интегрального уравнения вида:
Ядро этого уравнения выражается через произведение усредненных по примесям функций Грина для нормальной фазы:
Здесь
Интегральное уравнение (2.4) содержит полную информацию как о параметрах электронной структуры и кинетических характеристиках металлов, находящихся в контакте, так и о скачкообразном изменении их величины при переходе через резкую границу раздела FM/S. Однако в случае контакта достаточно грязных FM и S металлов существенно удобнее свести проблему решения интегрального уравнения (2.4) для коррелятора
ответственная за волновой тип движения квазичастиц. Поэтому в примесном ферромагнитном металле при
Получающаяся краевая задача включает уравнение:
в котором величина обменного поля
где
Дифференциальное уравнение (2.6) необходимо дополнить граничными условиями, следующими из того же интегрального уравнения (2.4):
где
где
Сведение интегральной краевой задачи к дифференциальной в грязном пределе
Решение краевой задачи (2.6), (2.8) даст нам ядро уравнения Горькова (2.3), определяющего
через которую выражается сверхпроводящий ПП :
Здесь введена безразмерная константа связи
С помощью определения (3.10) и уравнений (2.6), (2.8) легко получаются уравнения для функции Узаделя при
с граничными условиями в плоскости контакта:
граничные условия на свободных границах FM- и S-слоя в виде, исключающем поток функции Узаделя на границе:
При получении граничных условий (2.13) из соотношений (2.8) учитывается условие детального баланса:
В случае, когда рассматриваемая система двух контактирующих металлов находится во внешнем магнитном поле
Здесь
где
ГЛАВА 2. РАСЧЁТ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТРИПЛЁНКИ FM1/S/FM2
§2.1. Верхнее перпендикулярное критическое магнитное поле Нс2┴ наноструктуры
FM
1
/
S
/
FM
2
Здесь мы поставим перед собой задачу: найти температуру перехода
Рис.2 Схематичное представление геометрии задачи.
Как видно из Рис. 2 сверхпроводящий слой занимает область
Уравнения на функцию Узаделя:
Уравнения в таком виде получаются из уравнений в отсутствии магнитного поля [1] заменой
Согласно методу Радовича [2] парные амплитуды
где функция
Выберем векторный потенциал в виде
Введем обозначение
Тогда с учетом соотношения
С учетом (2.2), (2.3), (2.4) уравнения на функцию Узаделя в F-слое примут вид:
где
Имеем
Решением данного уравнения с учетом граничных условий, учитывающих условие отсутствия потока на границах [3]:
будут являться:
Из (2.6) следует, что:
Согласно [4], так как уравнение (2.10) не содержит явно
Подставляя (2.11) в (2.10) и произведя серию алгебраических преобразований получим:
Если ввести обозначения
Выражение (2.13) по форме совпадает с уравнением Шредингера для линейного осциллятора, колеблющегося с частотой
Используя (2.2), произведу разделение переменных в уравнении (2.1) для S-слоя.
Теперь применю соотношение (2.6) и (2.14) в виде:
Соответственно получу:
Подставлю в (2.15) выражение для параметра порядка в S-слое [5]:
В итоге уравнение на функцию Узаделя из (2.1) для S-слоя примет вид:
Будем искать решение уравнения (2.17) в одномодовом приближении, справедливость которого была показана в работах [5-13], в виде:
Такое соотношение предполагает одинаковую координатную зависимость функции Узаделя
Такой подход имеет значительное преимущество, поскольку он допускает аналитическое решение сложной краевой задачи и дает качественное описание поведения системы [1, 14]. А согласно оценкам [11] должно выполняться условие
Подстановка в таком виде предполагает одинаковую координатную зависимость функции Узаделя и сверхпроводящего параметра порядка
Имеем:
В итоге получим следующее уравнение:
Введем обозначение:
Тогда решение уравнения (2.20) примет вид:
Подставим полученные выражения (2.9) и (2.22) в граничные условия на функцию Узаделя [1]:
Получим систему из четырех уравнений на коэффициенты
или в более компактной форме:
где введены обозначения:
Систему (2.25) удается факторизовать и получить следующее уравнение на
После окончательных преобразований получим уравнение, которое в отсутствии магнитного поля повторяет результаты для трипленки из статьи [13] и для бипленки [1]:
Уравнение (1.12) можно записать в более удобной форме [15]:
или с учетом одномодового приближения (2.18):
сокращая параметр порядка
Определив приведенную температуру
Сократив
Выражение (2.33) сводится к уравнению типа Абрикосова-Горького на критическую температуру [1,7]:
Или с учетом (2.28):
После обезразмеривания системы уравнений (2.28), (2.34) согласно §2.3. и численного моделирования с использованием набора параметров [5] можно получить Рис. 3. На Рис.3 изображены графики зависимости
Рис.4. Выход на плато и возвратная сверхпроводимость.
§2.2. Верхнее параллельное критическое магнитное поле Нс2‖ структуры
FM
1
/
S
/
FM
2
Постановка задачи в данном пункте аналогична §2.1., но с тем лишь отличием, что ищем критическое магнитное поле Нс2‖ направленное вдоль плоскости FM1/S/FM2 контакта. При данной геометрии задачи, функция Узаделя будет зависеть лишь от одной поперечной координаты у [5,8, 19]:
Рис.3 Схематичное представление геометрии задачи.
Будем искать решение системы на функцию Узаделя (2.1) в одномодовом приближении (2.18).
Получим оператор
Подставив (2.37) в (2.1) и так же, как в (2.18) учтем одинаковую координатную зависимость параметра порядка
После несложных преобразований получим уравнение:
Проведем аналогичные преобразования для уравнений на функцию Узаделя F-слоя. Но решение в одномодовом приближении будем искать в виде [5]:
Подставив (2.37) и (2.40) в (2.1), получу:
Проведя рассуждения аналогичные (2.4), получим:
Как уже было сказано, толщины пленок предполагаются малыми: обычно
где введены обозначения:
то есть:
Решением уравнений (2.43) и (2.44) с учетом граничных условий (2.8), учитывающих условие отсутствия потока на границах, будет:
Подставив полученные решения (2.48а-б) в граничные условия (2.23), получим систему из четырех уравнений для определения констант А, В, С1, С2:
или после аналогичных пункту § 2.1. преобразований получим уравнение на
Трансцендентные уравнения (2.50) и (2.34) с учетом обозначений (2.47а-б) образуют замкнутую систему уравнений для определения критической температуры
§ 2.3. Обезразмеривание уравнений перед численным моделированием.
Проведем нормировку уравнений на критическую температуру
Будем нормировать входящие в уравнения (2.34б) и (2.38) параметры на следующие величины
Для уединенной S-пленки граничные условия (1.14) принимают вид:
С учетом решения (2.22) и граничных условий (2.51), получим:
или
так как (2.53) верно для любых значений
Но соотношениям (2.54а), согласно (2.22) соответствует:
что соответствует несверхпроводящему состоянию, так как волновая функция куперовских пар в этом случае обращается в ноль. Следовательно, решение (2.54а) мы отбрасываем. Теперь, единственно верным и физически реализуемым решением будет (2.54б), а выражение (2.22) примет вид:
Соотношению (2.56) соответствует однородному состоянию, в котором параметр порядка постоянен вдоль всей пленки. Применяя соотношения (2.56) к (2.34б) получим:
Для
Согласно формуле 6.3.18. из [17]:
Теперь для (2.57) имеем:
или
В итоге, с учетом
Известно, например [1], что:
Из [20]:
Теперь:
Применим соотношение (2.64):
В итоге уравнение на критическую температуру примет вид:
Нормировка уравнения (2.28) проводится аналогичным образом, поэтому на этом мы остановимся.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
[1] Изюмов Ю. А. Конкуренция сверхпроводимости и магнетизма в гетероструктурах ферромагнетик/сверхпроводник / Ю. А. Изюмов, Ю. Н. Прошин, М. Г. Хусаинов //УФН. – 2002. – Т.172. - №2. – С.113-154.
[2] Radovic Z. Phase diagram of superconductor-ferromagnet superlattices / Z. Radovic, M. Ledvij, L. Dobrosavljevic-Grujic// Solid State Communications. – 1991. – Vol.80. – №1. – P.43-46.
[3] Proshin Yu. N. Hierarchy of critical temperatures in four-layered ferromagnet/superconductor nanostructures and control devices / Yu. N. Proshin, A. Zimin, N. G. Fazleev, M. G. Khusainov // Phys. Rev. B. – 2006. – Vol.73 – 184514.
[4] Ландау Л. Д. Теоретическая физика: Учебное пособие для вузов. В 10 т. Т.3. Квантовая механика. (Нерелятивистская теория.)/ Л. Д. Ландау, М. Е. Лифшиц – 4-е изд., испр. – М.: Наука. Гл. ред. Физ. мат. лит. – 1989. – 768 с.
[5] Avdeev, M. Critical temperature of a ferromagnet/superconductor structures in a parallel magnetic field/ M. Avdeev, M.Khusainov, Yu.Proshin, S. Tsarevskii //25th International Conference on Low Temperature Physics (LT25) – Journal of Physics: Conference Series–2009. – Vol.150. – 052011.
[6]. Radovic Z. Upper critical fields of superconductor-ferromagnet multilayers/ Z. Radovic, M. Ledvij, L. Dobrosavljevic-Grujic L., A. I. Buzdin, J. R. Clem. // Phys. Rev. B. – 1988. – Vol. 38. - № 4 – p. 2388-2393.
[7]. Biagi K. Perpendicular upper critical field of superconducting – normal-metal multilayers/ K. Biagi, V. Kogan, J. Clem // Phys. Rev. B – 1985. – Vol. 32, – p.7165-7172.
[8]. Avdeev M. The influence of a parallel magnetic field on critical temperature and inhomogeneous current distribution of a ferromagnet/superconductor structure / M. Avdeev, M. Khusainov, Yu. Proshin, S. Tsarevskii // Superconductor Science and Technology – 2010. – Vol.23. – 105005.
[9]. Tagirov L.R. Proximity effect and superconducting transition temperature in superconductor/ferromagnet sandwiches / L.R. Tagirov // Physica C. – 1998. – Vol. 307. – P. 145 – 163.
[10]. Tagirov L.R. Low-field superconducting spin-switch based on a superconductor/ferromagnet multilayer / L.R. Tagirov // Phys. Rev. Lett. – 1999. – Vol. 83. – № 3. – P. 2058 – 2061.
[11]. Прошин Ю.Н. О природе немонотонного поведения критической температуры в биметаллических структурах ферромагнетик-сверхпроводник/ Ю.Н. Прошин, М.Г. Хусаинов // ЖЭТФ. – 1998. – Т.113. – С. 1708 – 1730.
[12]. Авдеев М.В. Эффект близости в наноструктуре ферромагнитный металл/сверхпроводник в слабом магнитном поле / М.В. Авдеев, Ю.Н. Прошин, М.Г. Хусаинов, С.Л. Царевский // Ученые зап. // Казан. ун-т. – 2007. – том. 149 – кн. 3 – С. 42-48.
[13]. Proshin Yu. N. Proximity effect in the finite and incommensurate ferromagnet/superconductor systems / Yu. N. Proshin, R. G. Luchkin, M. G. Khusainov // Journal of Magnetism and Magnetic Materials – 2009. – Vol.329 – P. 920-923.
[14]. Fominov Ya. Nonmonotonic critical temperature in superconductor/ferromagnet bilayers / Ya. V. Fominov, N. M. Chtchelkatchev, A. A. Golubov // Phys. Rev. B. – 2002. – Vol.66 – №1 – 014507.
[15]. Buzdin A. I. Proximity effects in superconductor-ferromagnet heterostructures / A.I. Buzdin // Rev. Mod. Phys. – 2005. – Vol. 77. – № 3. – P. 935– 976.
[16]. Buzdin A. I. Spin-orientation-dependent superconductivity in F/S/F structures / A. I. Buzdin, A. V. Vedyayev, N. V. Ryzhanova // Europhys. Lett. – 1999. – Vol.48 – №6. – Р. 686 – 692.
[17]. Абрамовиц М. Справочник по специальным функциям. С формулами графиками и математическими таблицами. / М. Абрамовиц, И. Стиган – М.: Наука, 1979. – 832 с.
[18]. Zdravkov V.I. Reentrant superconductivity in superconductor/ferromagnet-alloy bilayers / V. I. Zdravkov, J. Kehrle, G. Obermier, S. Gsell, M. Schrek, C. Muller, H.-A. Krug von Nidda, J. Lindner, J. Moosburger-Will, E. Nold, R. Morari, V. V. Ryazanov, A. S. Sidorenko, S. Horn2, R. Tidecks, L. R. Tagirov // Phys. Rev. B. – 2010. – Vol.82 – №5. – 054517.
[19]. Krunavakarn B. Upper critical fields of ferromagnet/superconductor layered structures / B. Krunavakarn, S. Yoksan// Physica C. – 2006. – Vol.440. – P. 25-34.
[20]. Шмидт В. В. Введение в физику сверхпроводников: учебное пособие. / В. В. Шмидт – М. Наука, 1982. – 238с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
.