超导纳米电子学基础

Contents 
1 “Fluctuoscopy” of Superconductors   1 
A.A. Varlamov 
1.1  Introduction  2 
1.2  ThermodynamicSuperconductiveFluctuations Close to Tc0   3 
1.2.1  Rather Rayleigh–Jeans Fields than Boltzmann Particles   3 
1.2.2  Manifestation of SF Close to Tc   5 
1.3  Ginzburg–LandauTheory  9 
1.3.1  GL Functional   9 
1.3.2  Zero Dimensionality: The Exact Solution for the Heat Capacity Jump   10 
1.3.3  Zero Dimensionality: The Exact Solution for the Fluctuation Magnetization   13 
1.3.4  Fluctuation Diamagnetism in Lead Nanoparticles   15 
1.4  Fluctuation Thermodynamics of Layered Superconductorin Magnetic Field   17 
1.4.1  Lawrence–DoniachModel   17 
1.4.2  General Formula for the Fluctuation Free Energyin Magnetic Field   19 
1.4.3  Fluctuation Magnetization of Layered Superconductorand its Crossovers   20 
1.5  Fluctuation Conductivityof Layered Superconductor  23 
1.5.1  Time-DependentGL Equation  23 
1.5.2  GeneralExpression for Paraconductivity  25 
1.5.3  Paraconductivityof a Layered Superconductor  27 
1.5.4  In-Plane Conductivity   28 
1.5.5  Out-of Plane Conductivity   29 
1.5.6  Analysis of the Limiting Cases   29 
1.5.7  ComparisonwiththeExperiment  31 
1.6  Quantum SuperconductiveFluctuations AboveHc2.0/  33 ix 
1.6.1 DynamicClusteringofFCPs  33 
1.6.2 Manifestation of QF Above Hc2 .0/  35 
1.7  Fluctuation Conductivity of 2D Superconductor in Magnetic Field: A Complete Picture   37 References  41 
2  Experimental Study of the Fluctuation-Governed Resistive State in Quasi-One-Dimensional Superconductors   45 K.Yu. Arutyunov 
2.1 Introduction  45 
2.2 Theory Background   46 
2.3 SampleFabrication  48 
2.4 Experiments   51 
2.5  Thermally Activated Phase Slips (TAPS)   53 
2.6  Quantum Phase Slips  57 
2.7 Conclusion  64 
References  65 
3  Crossed Andreev Re.ection and Spin-Resolved Non-local Electron Transport   67 Mikhail S. Kalenkov and Andrei D. Zaikin 
3.1 Introduction  68 
3.2 Spin-Resolved Transportin Ballistic Systems   70 
3.2.1 Quasiclassical Equations   70 
3.2.2 Riccati Parameterization   71 
3.2.3 BoundaryConditions  72 
3.2.4 Green Functions   75 
3.2.5 Non-local Conductance:General Results   77 
3.2.6 Cross-Current  80 
3.2.7 CorrectiontoBTK  84 
3.3 DiffusiveFSFStructures  86 
3.3.1 Quasiclassical Equations   87 
3.3.2 BoundaryConditions  89 
3.3.3 Spectral Conductances   90 
3.3.4 I–V Curves  95 
3.4 ConcludingRemarks  98 
References  99 
4  Non-local Transport in Superconductor–Ferromagnet Hybrid Structures   101 
D. Beckmann 
4.1  Introduction  101 
4.2  Experiments   103 
4.2.1 F/S Point Contacts  103 
4.2.2 Spin Accumulation   104 
4.2.3 Charge Imbalance   106 
4.2.4 CoherentSubgapTransport   108 
4.2.5 F/S Tunnel Contacts   111 
4.3 Discussion   114 
References  115 
5  Odd-Frequency Pairing in Superconducting Heterostructures   117 
A.A. Golubov,Y. Tanaka, Y. Asano, and Y. Tanuma 
5.1  Introduction  118 
5.2  Junctions in the Dirty Limit  119 
5.3  Junctions in the Clean Limit   122 
5.4 Summary  129 
References  129 
6  Ferromagnetic Josephson Junctions with Critical Current Density Arti.cially Modulated on a “Short” Scale   133 
N.G. Pugach, M.Yu. Kupriyanov, E. Goldobin, D. Koelle, 
R. Kleiner, A.S. Sidorenko,and C. Lacroix 
6.1  Introduction  134 
6.2  Ferromagnetic Josephson Junctions with Step-Like Interface Transparency  137 
6.2.1  Model for SIFS Junction   137 
6.2.2  SIFNS and SINFS Structures   143 
6.2.3  SIFNS Junction with Few Steps of BoundaryTransparency   147 
6.2.4  SIFNSJunctionsArray  149 
6.3  Method for the Reliable Realization of a 'Josephson Junction   157 
6.3.1  Phase Averaging of Rapid Oscillations withaNon-SinusoidalCPR  157 
6.3.2 Discussion of the 'Junction Conditions   162 
6.4 Conclusion  167 
References  168 
7  Josephson Effect in SFNS Josephson Junctions   171 T.Yu. Karminskaya, M.Yu. Kupriyanov, A.A. Golubov, and A.S. Sidorenko 
7.1  Introduction  171 
7.2  Effective Decrease in the ExchangeEnergyin S-(FN)S Josephson Structures   173 
7.2.1  Structure of S-FN-S Junction and its MathematicalDescription  173 
7.2.2  Analysis of Inverse Coherence Lengths and Critical Current  177 
7.3  Josephson Effect in S-FN-S Structures with Arbitrary Thickness of Ferromagneticand NormalLayers   182 
7.3.1  Properties of Inverse CoherenceLength q   184 
7.3.2  ThicknessDependenceoftheCriticalCurrent  189 
7.3.3  Solution of Linearized Usadel Equations  193 
7.3.4  CalculationofCriticalCurrent  195 
7.4  New Geometryof SFNS Junctions   199 
7.4.1  Critical Current of SN-N-NS Josephson Junction   201 
7.4.2  Critical Current of Devices with F Film in Weal Link Region  202 
7.4.3  Calculation of Supercurrentfor SNF-NF-FNS Junction   211 
7.4.4  Calculation of Supercurrentfor SNF-N-FNS Junction   214 
7.4.5  CalculationofSupercurrentforSN-NF-NSJunction  215 
7.5 Conclusion  216 
References  217 
8  Physics and Applications of Superconducting Phase Inverters Based on Superconductor– Ferromagnet–Superconductor Josephson Junctions  219 
V.V. Ryazanov 
8.1  Introduction  219 
8.2  SFS Junctions: Thickness and Temperature Dependencesof Josephson Ground States   221 
8.3  Phase-Sensitive Experiments: Phase Inversion and SpontaneousMagneticFlux  227 
8.4 Applicationsof SuperconductingPhase Inverters   239 
References  246 
9  Point-Contact Study of the Rare-Earth Nickel-Borocarbide RNi2B2C(R D Y,Dy,Ho, Er, Tm,Lu) Superconductors   249 Yu.G. Naidyuk and I.K. Yanson 
9.1  Introduction  250 
9.2  Experimental   250 
9.3  Point-Contact Andreev-Re.ection Spectroscopy of the SuperconductingGap   251 
9.4  PCSpectroscopyofElectron–Phonon(BOSON)Interaction  256 
9.5 Conclusion  259 
References  260 
10  Integrated Submm Wave Receiver: Development and Applications   263 Valery P. Koshelets, Manfred Birk, Dick Boersma, Johannes Dercksen, Pavel Dmitriev, Andrey B. Ermakov, Lyudmila V. Filippenko, Hans Golstein, RuudW.M.Hoogeveen,LeodeJong,AndreyV. Khudchenko, Nickolay V. Kinev, Oleg S. Kiselev, Pavel V. Kudryashov, Bart van Kuik, Arno de Lange, Gert de Lange, Irina L. Lapitsky, Sergey I. Pripolzin, Joris van Rantwijk, Avri M. Selig, Alexander S. Sobolev, Mikhail Yu Torgashin, Vladimir L. Vaks, Ed de Vries, Georg Wagner, and Pavel A. Yagoubov 
10.1 Introduction  264 
10.2 Flux Flow Oscillators   266 
10.2.1 Nb–AlN–NbN FFO  267 
10.2.2 SpectralPropertiesoftheFFO  272 
10.3 TELIS  280 
10.3.1 TELIS Instrument Design  280 
10.3.2 SIR Channel Design  283 
10.3.3 TELIS-SIR Channel Performance   284 
10.3.4 Kiruna Campaigns and Preliminary Science Results   289 
10.3.5 SIR for NoninvasiveMedical Diagnostics   291 
10.4 Summary  294 
References  295 
11  Cryogenic Phase-Locking Loop System Based on SIS Tunnel Junction   297 
A.V. Khudchenko,V.P. Koshelets, and K.V. Kalashnikov 
11.1 Introduction  298 
11.2 CPD Properties   299 
11.2.1 Phase Characteristics   301 
11.2.2 Frequency Characteristics  301 
11.2.3 Amplitude Properties  301 
11.3 CPLL System: Description and ExperimentalResults   303 
11.4 FFO Phase-Locking Directly by HM  306 
11.4.1 On the Theory of HM   306 
11.4.2 ExperimentalDemonstration  309 
11.5 Conclusions  311 
References  312 
Conclusion   315 
Bibliography (Some relevant books and reviews)   317 
About the Editor   319 
Index   321