Лекция

Криогенная микроэлектроника

План

1 Сущность явления сверхпроводимости

2 Принцип действия и устройство криотронов

3 Пленочные криотроны

4 Логические схемы на криотронах

1 Сущность явления сверхпроводимости

Явление сверхпроводимости было обнаружено в 1911 г. голландским физиком Камерлинг-Оннесом при изучении зависимости удельного сопротивления ртути от температуры. При температуре 4,2 К ее сопротивление скачком уменьшалось до нуля.

В настоящее время подобное явление установлено у многих веществ:

чистых металлов,

металлических сплавов,

интерметаллических соединений,

у некоторых вырожденных полупроводников.

Например, кристалл олова при переходе температуры от 292 до 4,2 К изменяет сопротивление в 16200 раз.

Температура перехода в сверхпроводящее состояние колеблется у разных веществ от сотых долей градуса абсолютной шкалы до 20К и называется критической температурой перехода Т_кр. В сверхпроводящем состоянии вещество является идеальным диамагнетиком. Вещество, помещенное в магнитное поле, при переходе в сверхпроводящее состояние выталкивает его из своего объема (рис. 3.1). Это явление получило название эффекта Мейсснера - Окоенфельда.

Рис. 3.1. Эффект Мейсснера - Окоенфельда (выталкивание магнитного поля из проводника при переходе в сверхпроводящее состояние)

Следовательно, сущность сверхпроводимости состоит в том, что вещество приобретает два свойства - идеальную проводимость и идеальный диамагнетизм.

Природа сверхпроводимости была исследована Бардиным, Купером и Шиффером с помощью созданной ими макроскопической теории, или БКШ теории.

Электрон, движущийся в решетке, притягивает к себе положительно заряженные ионы. Ионы сближаются. Вдоль пути движения электрона создается избыточный положительный заряд поляризованной решетки, к которому могут быть притянуты другие электроны. Это эквивалентно возникновению силы притяжения между электронами, действующей через поляризованную решетку. Образуются куперовские пары. Электроны, которые входят, в куперовские пары обладают противоположными спинами, а также равными по величине и противоположными по направлению импульсами. Спаренные электроны находятся на достаточно большом расстоянии друг от друга (порядка 10^-6 м).

Пары не могут двигаться независимо одна от другой, а перемещаются строго согласованно. Из теории БКШ следует, что такая корреляция достигается тогда, когда центры масс всех пар движутся с одинаковыми импульсами.

Физически это означает, что сверхпроводящее тело как целое характеризуется существованием некоторой комплексной функции ψ(r, t), которая имеет смысл волновой функции куперовской пары. Функция ψ(r, t), отлична от нуля ниже точки сверхпроводящего перехода Т_св.

При этом градиент функции ψ(r, t), определяет протекающий в сверхпроводнике ток; ψ является параметром упорядочения теории сверхпроводимости.

Функция едина для всего образца. Она характеризует не только одну частицу, но и весь коллектив электронов. Поэтому в данный момент времени разность фаз функции ψ в любых двух точках сверхпроводника, удаленных одна от другой на большие (макроскопические) расстояния – фиксирована.

Следует отметить, что когерентность фазы является общим свойством сверхпроводников, не зависящим от их конкретной структуры, т.е. имеет место в чистых сверхпроводниках, сверхпроводящих сплавах и т.д. Это можно объяснить тем, что линии сверхпроводящего тока (линии градиента фазы ) "огибают" препятствия или проходят сквозь них и наличие дефектов не мешает установлению фазовой когерентности.

Сверхпроводящее состояние отличается от обычного токового состояния в металле устойчивостью по отношению к рассеянию носителей тока на разного рода дефектах. Именно благодаря этому становится возможным существование незатухающих ("персистирующих") токов в сверхпроводниках, содержащих примеси посторонних элементов или другого рода дефекты.

Наличие примесей не препятствует установлению сверхпроводящего состояния несмотря на то, что даже при малых их концентрациях (например, порядка 1%) среднее расстояние между примесными центрами составляет несколько межатомных расстояний и, следовательно, мало по сравнению с параметром сверхпроводящей корреляции - характерным размером куперовской пары (10^-4 см).При такой упорядоченности пары образуют единый коллектив или конденсат.

Куперовские пары могут образовывать только фермиевские электроны. Они составляют примерно 10^-4 общего числа электронов прово димости металла. Куперовокие пары размещаются на уровне, расположенном ниже уровня Ферми на величину , где - энергия связи электрона в паре.

Таким образом, нормальное состояние электронов в сверхпроводнике отделено от сверхпроводящего энергетической щелью (рис 3.2).

Рис. 3.2. Образование щели в энергетическом спектре электронов проводника при переходе его в сверхпроводящее состояние

Так как связь в куперовских парах относительно слабая, совершенный конденсат, охватывающий все электроны, которые способны объединиться в пары, может существовать лишь при абсолютном нуле.

С повышением температуры в кристалле появляются фононы, разрушающие пары и переводящие электроны в нормальное состояние. Нормальные электроны, взаимодействуя с парами, нарушают их импульсную упорядоченность и ослабляют корреляционную связь в конденсате. В результате ширина энергетической щели уменьшается и при критической температуре становится равной нулю, что означает полное разрушение сверхпроводящего состояния.

Согласно теории БКШ

, (3.1)

где θ - температура Дебая проводника; g - параметр, пропорциональный энергии связи электронов в парах.

Для обычных сверхпроводников (когда электроны связываются в пары через решетки) g несколько меньше 1/2, a θ лежит в пределах 100...500 К. При этом максимальная критическая температура перехода в сверхпроводящее состояние у них обычно не превышает 20...50 К.

Сверхпроводимость в проводнике можно разрушить, увеличив в нем плотность тока j выше критического значения j_кр, при котором энергия пары будет достаточной для ее разрушения.

При помещении сверхпроводника в магнитное поле В в поверхностном слое наводится незатухающий ток, создающий в объеме проводника поле В_вн, направленное противоположно В и компенсирующее его. При увеличении В растет плотность тока в сверхпроводнике и компенсирующее поле В_вн.

При некотором значении В_кр, называемом критическим полем, наведенный в сверхпроводнике ток достигает критической величины и сверхпроводимость разрушается.

При повышении температуры сверхпроводника B_кp понижается. Согласно теории БКШ это понижение описывается следующим соотношением:

, (3.2)

где В_кр(0)- критическое поле при 0 К.

При температурах, близких к критическим, достаточно приложить слабое магнитное поле, чтобы разрушить сверхпроводимость, что важно при конструировании сверхпроводящих электронных устройств.