二維約瑟夫森結陣列中相變和噪聲頻譜研究.pdf

1、近年來，約瑟夫森結陣列Josephson Junction Arrays(JJAs)模型廣泛應用于研究超導體中的磁通運動及Ⅱ類超導體中的相變。在Ⅱ類超導體極低磁場情況下，人們已廣泛接受了可由二維約瑟夫森結陣列中的Kosterlitz ThoulessBerezinskii(KTB)相變描述超導相變。當溫度低于KTB相變溫度T<,KTB>，低磁場下激發(fā)的渦旋與反渦旋束縛成對，渦旋的有序排列使超導體在低磁場下呈完全抗磁性的超導態(tài)；當溫度高于

2、T<,KTB>，束縛的渦旋對態(tài)被無序的熱運動破壞，形成獨立的自由渦旋運動。渦旋運動使磁通的有序排列轉(zhuǎn)化為無序排列，這種變化稱為磁通融化。磁通融化后的運動產(chǎn)生電阻，改變材料的超導性質(zhì)為有電阻的正常態(tài)性質(zhì)。因此磁通融化相變與Ⅱ類超導體中超導到正常態(tài)的變化非常相近。磁場增大也能促使磁通排列從有序到無序的融化相變。 為了研究高溫超導薄膜和人造超導陣列中由渦旋熱運動的漲落引起的輸運性質(zhì)變化，在實驗上通常進行Ⅰ－Ⅴ曲線和磁通運動噪聲測量。Ⅰ

3、－Ⅴ特性反映磁通運動對外部電場的整體響應，而用超導量子干涉儀(SQUID)測量局域區(qū)域內(nèi)的磁通噪聲可反映該區(qū)域渦旋密度的漲落。最近，F(xiàn)estin等對高溫超導YBa<,2>Cu<,3>O<,7>(YBCO)薄膜進行了磁通噪聲譜密度Sφ(ω))測量，發(fā)現(xiàn)存在一個與溫度有關的特征頻率ω<,0>(T)。在頻率大于特征頻率的高頻區(qū)，S<,φ>(ω)與頻率有ω<'-x>關系(其中x=1.5，1.75)。在頻率小于特征頻率的低頻區(qū)，S<,φ>(ω)與

4、頻率無關。在接近電阻相變溫度處，特征頻率ω<,0>(T)表現(xiàn)出隨溫度升高突然大幅度的增大。Rogers等實驗研究了超薄Bi-2212在沒有磁場情況下的S<,φ>(ω)變化，發(fā)現(xiàn)在ω≥ω<,c>時S<,φ>(ω)與頻率有ω<'-1.5>關系，這里的特征頻率ω<,c>隨溫度的增加而明顯增加。Candia等與Shaw等實驗研究了人造二維超導三角和平方陣列在超導相變溫度附近的噪聲頻譜。他們發(fā)現(xiàn)在無磁場作用下超導相變是由熱激發(fā)引起的渦旋與反渦旋對

5、解除束縛而形成的KTB型相變。當溫度高于相變溫度，S<,φ>(ω)在特征頻率以下是白噪聲，在特征頻率以上與1/ω成正比。 本文采用二維約瑟夫森結陣列(2D JJAs)中的電阻分流結(RSJ)模型，采用數(shù)值模擬方法，研究20 JJAs中的渦旋在熱激發(fā)，及電流驅(qū)動情況下引起的渦旋運動及相變性質(zhì)。計算了熱激發(fā)以及電流驅(qū)動情況下JJAs中產(chǎn)生的渦旋度(Ne)，渦旋密度漲落(δN)<'2>，渦旋運動噪聲頻譜S<,v>(ω)。得到的主要的結

6、論如下： (1)由Ne與(δN)<'2>的突變表明超導陣列中確實存在著熱激發(fā)的KTB型相變。渦旋相變溫度T<,KTB>不因有無外加電流而改變。 (2)溫度在T<,KTB>以上和T<,KTB>以下的S<,v>(ω)圖象，以及噪聲強度隨溫度的變化在KTB型相變溫度以上和以下都表現(xiàn)了完全不同的規(guī)律，因此實驗上可以通過測量S<,v>(ω)圖象隨溫度的變化求出渦旋運動的KTB型相變溫度T<,KTB>。 (3)T<,KTB>

7、以上的頻譜圖象中存在一個分頻譜為兩部分的特征頻率ω<,0>(T)。低頻ω<ω<,0>(T)時，S<,v>(ω)表現(xiàn)了自由渦旋運動的特征，是白噪聲。高頻ω>ω<,0>(T)時，表現(xiàn)為渦旋對的頻譜特征，即隨頻率的變化關系為指數(shù)下降S<,v>(ω)∝ω<'-1.5>。 (4)渦旋運動噪聲頻譜S<,v>(ω)隨電流的變化有類似的關系。其特征頻率‰(T，f，I)不但是溫度的函數(shù)，也是磁場和驅(qū)動電流的函數(shù)。我們得到的計算結果與以上實驗報導相