اثر جوزفسون در ابررساناهای بر پايه آهن دوگافه

Transcript

1 مجلة پژهش سیستمهای بسذرهای یژه نامة کنفرانس سیستمهای بسذرهای کپهای نانمقیاس( 93 اثر جزفسن در ابررساناهای بر پايه آهن دگافه چکیده محمد علی ملکی علی قربانزاده مقدم میترا طاهرخانی گره فیزیک دانشکده علم دانشگاه زنجان زنجان ایران دانشکده فیزیک دانشگاه تحصیالت تکمیلی علم پایه زنجان ایران اثر جزفسن در پیندهای SS ساختهشده از ابررساناهای دنارة مج s با عالمتهای خالف هم مطالعه میشد. برای ناحیة عایق ضخامتی متناهی در نظر گرفته میشد. جابهای معادلة بگلیبف-دژن در د ناحیة ابررسانا همچنین در ناحیة میانی عایق جداگانه در نظر گرفته میشند. سپس شرطهای مرزی مناسب حاکم بر تابعهای مج در د فصلمشترک ابررسانا- عایق بر تابعهای مج بهدست آمده اعمال میگردد. یک معادلة یژهمقداری برای طیف انرژی بهدست میآید که به تعدادی از پارامترهای مسئله از جمله ضخامت ناحیة عایق بستگی دارد. بهازای برخی مقدارها برای پارامترهای مسئله با تغییر ضخامت ناحیة عایق گذار فازی از نع 0- مشاهده میگردد. کلیداژگان: اثر جزفسن ابررساناهای بر پایة آهن گذار فاز 0-. ابررسانایی چندناره ابتدا بیشتر در فلزهای اسطه مشاهده گردید. این خاصیت تسط نظریة BCS چندناره تصیف میشد که مدت زمان کتاهی بعد از تئری الیة BCS پیشنهاد شد. این ابررساناها جز گره ابررساناهای نع دم بده دماهای بحرانی نسبتا باالیی دارند برهمکنش الکترن-فنن قادر به تجیه گذار با دمای باال در این نمنهها نمیباشد. تحقیقها ری ابررساناهای چندناره با کشف ابررساناهای بر پایة آهن شتاب گرفت. پس از کپریتها ابررساناهای بر پایة آهن که با نام Pnictideها نیز معرفند مرد تجه بررسی بیشتر قرار دارند. این ابررساناها در سالهای تسط د گره مختلف در تکی شناسایی شدند ] [. این کشف بهعنان مبدأ جدیدی برای تحقیقات مقدمه اثر جزفسن یکی از مهمترین اثرهای در ارتباط با ابررسانایی در میباشد ][. از جملة پرکاربردترین پدیدههای مربط به اثر جزفسن گذار فاز 0- است. 0- گذار فاز بیشینه جریان جزفسن تغییر تشکیل اتصالهای با تغییر دادن پارامترهای سیستم عالمت میدهد ][. در سیستمهای جزفسن اهمیتها کاربردهای زیادی در رایانههای کانتمی Qubitها دارد ]9 [. برخی از ابررساناها نظیر Ba 0.6K 0.Fe As F دارای سطحهای فرمی چندگانه در ساختار ناری خد هستند. در این گنه مادهها چگالش ابررسانایی ممکن است در نتیجة برهمکنش بین جهش الکترنهای نارهای مختلف در هر سطح فرمی ایجاد شد. خاصیت agorbanz@iasbs.ac.ir نیسندة مسئل:

2 اثر جزفسن در ابررساناهای بر پایه آهن... L ابررسانایی مرد تجه قرار گرفت از آن پس تشکیل میدهد. ضخامت الیة عایق میباشد. مطالعات نظری تجربی از کپریتها به ابررساناهای ابررساناهای S فلزهایی دناره هستند که هرکدام د q p بر پایه آهن تمرکز پیدا کرد ]۷[. چند دلیل را میتان حالت متفات در تراز فرمی با بردارهای مج برای علت تجه محققان به این دسته از ابررساناها ذکر دارند. فرض میکنیم که حرکت شبهذرهها با معادلة نمد. ال اینکه این مادهها هر دی خاصیتهای بگلیبف-دژن BdG( تصیف میشد ]0[. ابررسانایی مغناطیس را از خد برز میدهند. دم با تجه به امکان دسترسی به تنع بسیار زیاد ترکیبات این مادهها جهت انجام آزمایش تحقیق نیز دارا بدن ساختار الکترنی چندناره امید آن میرد که سرانجام مکانیسم پدیدة ابررسانایی دمای باال حل شده رشی عملی برای افزایش دمای بحرانی پیدا شد. در نهایت بهدلیل داشتن دمای بحرانی باالتر جریانهای بحرانی همسانگرد باال کاربرد ابررساناهای بر پایه آهن در صنعت محتملتر است ][. بهتازگی گذار فاز 0- در اتصالهای جزفسن برای ابررساناهای بر پایه آهن با درنظر گرفتن ضخامت قابل چشمپشی برای الیة عایق گزارش شده است ]3[. در این پژهش گذار فاز 0- برای ضخامتهای متناهی ناحیة عایق بررسی شده است. پتانسیلهای جفت برای ابررساناهای مج s د نارة i j سمتهای چپ راست با رابطة j i e [ ( x L e ( x L], j j, داده میشند که بین د ناحیة ابررسانا میباشد. اختالف فاز فازهای گافهای q p بهترتیب در نارهای هستند. در حالت مدل گاف S این د گاف عالمتهای خالف میباشد. در ناحیة عایق هم دارند است. یژهتابعهای حالتهای مقید با E j 0 انرژیهای در سه ناحیه با فرض جابهای معادلة BdG بهصرته یا SL u a[ ve v b[ ue i i u pe( x i ve v ph( x i ue qe( x] qh( x], 9 u SL( x a[ i( ve pe u v ] b[ i( qe i( ve ue v i( ue ph qh ], شکل. تصیر شماتیک از یک معرفی سیستم مدل اتصال جزفسن.SS مطابق شکل یک الیة عایق ( از د طرف به د ابررسانا S( متصل شده یک پیند جزفسن را بهترتیب برای ابررساناهای چپ راست

3 9 مجلة پژهش سیستمهای بسذرهای یژه نامة کنفرانس سیستمهای بسذرهای کپهای نانمقیاس( 93 a pe b c ph d ph, pe برای ناحیة میانی عایق میباشند ][. سهم هرکدام از q p نارهای با پارامتر مشخص میگردد. ضریب آمیختگی بهصرت نسبت دامنههای احتمال برای اینکه یک شبهذره به نار ال نار p یا نار دم نار برد معرفی میگردد. تابعهای q تابعهای مج بالخ در ابررساناهای دناره هستند که exp( ik x ik y, k x ( u, v x y بهصرت گرفته در نظر میشند. پارامترهای ( u بهترتیب ضریبهای بگلیبف برای, v u u ( i / E /, ( i نارهای ال دم هستند از رابطهه یا / E /, v v ( i / E /, ( i E, E / E /,, با ۷ بهدست میآیند. استفاده میکنیم. با برابر صفر قرار دادن دترمینان ( (e ضریبهای معادلههای خطی معادلة یژهمقداری ( e ( r e [ Z ( e ( r e r (Z ( ] [ e r ]cos 0, r نسبت / حاصل میشد. در این رابطه Z e E / انرژی بیبعدشده اندازة گافها 8b ( ( cos, 8b ( 8 ( cos / پتانسیل شیمیایی 3 میباشد که در آن بیبعد شده مشترک ناحیههای ابررسانا( پتانسیل شیمیایی بیبعد شدة ناحیة / b k y m عایق( / شدة بردار مج( عرضی بیبعد مؤلفة L ( با b ضخامت بیبعد شدة ناحیة 0 L L m / عایق( است. در حالت خاص مدل تکناره e Dsin برای یک نتیجة آشنای / ( پیند جزفسن معملی بهدست میآید که در آن D /( Z ضریب عبر پیند است [.]9 حال شرطهای مرزی مسئله را بر تابع مج (x رابطة جريان-فاز جزفسن نتیجهها اعمال میکنیم. این شرطها بهصرت پیستگی تابع مج مشتق ال آن در مرزهای x L که به هشت معادلة خطی برای ضریبهای مجهل میباشند a c b d منجر میشد. برای, a b a b سادگی در محاسبهها از تقرییب جریان جزفسنی که اندریف تسط ترازهای گسستة e ( E k از پیند عبر میکند از رابطة k, Ek f ( Ek, 0

4 بهدست میآید ]9 [. از این رابطة جریان-فاز با تغییر پارامترهای Z دمای T گذار فازی از نع 0- برای یک پیند با ضخامتی خیلی نازک بهصرت تابع دلتای دیراک مشاهده میگردد ]3[. حال اثر جزفسن در ابررساناهای بر پایه آهن... max 0 بستگی جریان جزفسن به ضخامت عایق یعنی L را بررسی مینماییم. در شکل ضخامت عایق بیبعد شدة بیشینه جریان جزفسن برحسب L بهازای r رسم شده است. محر افقی در دمای T 0. 0T c L در محددة صفر تا.5 انتخاب شده است که متناظر با محددة صفر تا 6 نانمتر برای ضخامت ناحیة عایق میباشد. جریان بیشینة جزفسن بهازای ضخامتهای ناحیة عایق از مرتبة کمتر از چند نانمتر تغییراتی نابهنجار از خد نشان میدهد. این محدده برای ضخامت ناحیة عایق محددهای است BdG معادلة که انتظار پاسخ فیزیکی درستی از در آن محدده نمیرد. نمدار بیشینه جریان جزفسن همانطری که در شکل میشد دارای درة دیده تنابی است که به پارامترهای مسئله ابسته میباشد. همانطر که در شکل مشاهده میگردد بهازای 0.67 نمدار آبی( با تغییر ضخامت ناحیة عایقگذار فازی از نع مشاهده 0- میگردد. عالمت منفی در جریان بیشینه نشان میدهد که انرژی آزاد اتصال دارای یک کمینه در است بهطری که حالت پایة اتصال دارای انتقالی به اندازة میباشد. شکل. نمدار بیشینه جریان جزفسن برحسب ضخامت ناحیة عایق در یک اتصال SS بهازای 000 r 0 نمدار سبز( نمدار سیاه( در دمای 0.6 قرمز( نمدار 0.6 آبی( 0.66 نمدار T 0. 0T c باید دقت شد که رفتار گذار فاز 0- مشاهده شده در این مسئله بسیار متمایز از در 0- گذارهای اتصالهای شامل سیستمهای فرمغناطیس F( بهشکل اتصالهای SFS میباشد. دلیل بهجد آمدن گذار فاز 0- در اتصالهای SFS شکافتگی اسپینی اختالف تکانة فرمی برای اسپینهای باال پایین L ری تکا ةن متناهی جفتهای کپر میباشد ][. این در حالی است که پیشتر برای اتصالهای S S نشان دادهشده بد که با تغییر ضریب آمیختگی نارها شدت سد در ناحیة عایق دما بهازای مقدارهایی یژه برای این پارامترها گذار فازی از نع 0- اتفاق میافتد ]3[. نتیجة جالب کار انجامشده در این مقاله مشاهدة رفتار نسانی در بیشینه جریان جزفسن با تغییر ضخامت ناحیة اتصال ضعیف بین ابررساناهای دگافه میباشد. ماهیت این

5 مجلة پژهش سیستمهای بسذرهای یژه نامة کنفرانس سیستمهای بسذرهای کپهای نانمقیاس( 93 [6] Y. Kamihara T. Watanabe, M. Hirano, H. Hosono, ron-based Layered Superconductor La [O-xFx] FeAs (x = with Tc = 6 K, Journal of American Chemical Society 30 ( [7] P.J. Hirschfeld, M.M. Korshunov,. Mazin, Gap symmetry and structure of Fe-based superconductors, Report on Progressive Physics 7 ( [8] A.A. Kordyuk, ron based superconductors: magnetism, superconductivity and electronic structure, Low Temperature Physics 38 ( [9] C. Nappi, S. De Nicola, M. Adamo, E Sarenelli, Model prediction of high-temperature π-states in iron pnictide superconductorinsulator-superconductor Josephson junctions, Europhysics Letters 0 ( [0] P.G. de Gennes, Superconductivety of Metals and Alloys, Benjamin, New York (966. [] A.A. Golubov, A. Brinkman, Y. Tanaka,.. Mazin, O.V. Dolgov, Andreev Spectra and Subgap Bound States in Multiband Superconductors, Physical Review Letters 03 ( [].O. Kulik, Macroscopic Quantization abd proximity effect in S-NS junctions, Journal of Experimental and Theoretical Physics 57 ( [3] R.A. Riedel, P.F. Bagwell, Low-temperature Josephson current peak in junctions with d-wave order parameters, Physical Review B 57 ( [] C.W.J. Beenakker, Universal limit of critical-current fluctuations in mesoscopic Josephson junctions, Physical Review Letters 67 ( رفتار نسانی متمایز از ماهیت رفتار مشابه آن در سیستمهای SFS میباشد. نتیجهگیری اثر جزفسن در پیندهای S S ساختهشده از ابررساناهای دنارهی مج s با عالمتهای خالف هم مطالعه شده است. رهیافت استفاده از جابهای معادلة بگلیبف-دژن برای مسئله فرملبندی گردیده است. نشان دادهشده است که با تغییر ضخامت ناحیة عایق گذار فازی از نع 0- قابل دسترسی است. رفتار گذار فاز در این سیستمها تمایز آشکاری با گذارهای فاز در سیستمهای SFS مشاهدة گذار فاز دارد. اهمیت حاضر کار 0- بدن حضر سیستمهای فرمغناطیس میباشد. مرجعها [] B.D. Josephson, Possible new effects in superconductive tunnelling, Physics Letters ( [] A.. Buzdin, Proximity effects in superconductor-ferromagnet heterostructures, Reviews of Modern Physics 77 ( [3] L.B. offe, V.B. Geshkenbein, M.V. Feigel'man, A.L. Fauchère, G. Blatte, Environmentally decoupled sds -wave Josephson junctions for quantum computing, Nature 398 ( [] J.E. Mooij, T.P. Orlando, L.Levitov, L. Tian, C.H. van der Wal, S. Lloyd, Josephson Persistent-Current Qubit, Science 85 ( [5] Y. Kamihara, H. Hiramatsu, M. Hirano, T. Kamiya, H. Hosono, ron-based Layered Superconductor: LaOFeP, Journal of American Chemical Society 8 (

6 Journal of Research on Many-body Systems 7 The Conference on Many-Body Systems (Bulk and Nano-scale. K. N. Toosi University of Technology, November 05 Josephson effect in two-gap iron-based superconductors Mohammad Ali Maleki, Ali Ghorbanzadeh Moghaddam,, Mitra Taherkhani Department of Physics, Faculty of Science, University of Zanjan, Zanjan, ran Department of Physics, nstitute for Advanced Studies in Basic Sciences, Zanjan, ran Abstract The Josephson effect is studied in S S junctions made of two band reversed sign s-wave superconductors. The insulator region is considered to have finite thickness. The solutions of the Bogoliubov de genes equation are considered in two superconducting regions and also in intermediate insulator region. Then, the appropriate boundary value conditions are applied on the wave functions. An eigenvalue equation is obtained for the energy spectrum which depends on a few parameters of the problem, like the thickness of the insulator region. For some special values for parameters of the problem, changing the thickness of the insulator region, a 0- phase transition is observed. Keywords: Josephson effect, ron-based superconductors, 0- phase transition. Corresponding Author: agorbanz@iasbs.ac.ir