ACADEMIA DE ŞTIINŢE A MOLDOVEI

INSTITUTUL DE INGINERIE ELECTRONICA ŞI

NANOTEHNOLOGII “D. GHIŢU”

Cu titlu de manuscris

CZU: 537.312.62

ANTROPOV EVGHENI

CÂMPURI MAGNETICE CRITICE ÎN NANOSTRUCTURI

SUPRACONDUCTOARE PE BAZĂ DE NIOBIU ŞI ALIAJ

CUPRU-NICHEL

01.04.07 FIZICA STĂRII CONDENSATE

Autoreferatul tezei de doctor în ştiinţe fizico-matematice

CHIŞINĂU, 2013

2

Teza de doctor a fost elaborată în Laboratorul Criogenie al Institutului de Inginerie Electronică

şi Nanotehnologii “D.Ghiţu” al Academiei de Ştiinţe a Moldovei.

Conducător ştiinţific:

SIDORENKO Anatolie m. cor., dr. hab., prof. univ., IIEN “D.Ghiţu” al A.Ş.M.

Referenţi oficiali:

NAIDYUK Iurii dr. hab., prof. univ., IFTTJ al ANŞ a Ucrainei, Harkov, Ucraina

DOHOTARU Leonid dr., conf. univ., UTM

Componenţa Consiliului ştiinţific specializat:

VLADIMIR Мihai preşedinte, dr. hab., prof. univ, UTM

DIGOR Dumitru secretar ştiinţific, dr., conf. cercet., IFA al AŞM

TAGHIROV Lenar dr. hab., prof. univ, Universitatea de Stat din Kazani, Rusia

KUPRIANOV Mihail dr. hab., prof. univ, Universitatea de Stat din Moscova, Rusia

NATEPROV Alexandr dr., conf. cercet., IFA al A.Ş.M.

KONOPKO Leonid dr., conf. cercet., IIEN „D.Ghiţu” al A.Ş.M.

Susţinerea tezei va avea loc la data de 12 septembrie 2013, ora 9:00 în şedinţa Consiliului

ştiinţific specializat D 24.01.04.07-09 din cadrul Institutului de Inginerie Electronică şi

Nanotehnologii “D.Ghiţu” al A.Ş.M., str. Academiei, 3/3, MD-2028, or. Chişinău, Republica

Moldova.

Teza de doctor şi autoreferatul pot fi consultate la Biblioteca Ştiinţifică Centrală a Academiei de

Ştiinţe a Moldovei şi pe pagina Web a Consiliului Naţional pentru Atestare şi Acreditare

(http:/ /www.cnaa.md/).

Autoreferatul a fost expediat la 7 august 2013.

Secretarul ştiinţific al Consiliului ştiinţific specializat,

dr., conf. cercet. DIGOR Dumitru

Conducător ştiinţific:

m. cor., doc. hab., prof. univ.

SIDORENKO Anatolie

Autor:

ANTROPOV Evgheni

© Аntropov Еvgheni, 2013

3

CARACTERISTICA GENERALĂ A LUCRĂRII

Cuvinte cheie: supraconductor, nanostructuri stratificate, câmpuri magnetice critice,

domeniul fluctuaţiilor critice, crossover dimensional, parametrul Ginzburg-Levanyuk,

spintronică.

Аctualitatea şi importanţa problemei abordate:

De la mijlocul secolului XX, un interes deosebit pentru cercetători prezintă interacţiunea

dintre cele două fenomene antagoniste – feromagnetism şi supraconductibilitate. Sistemele

artificiale multistrat sunt obiect de studiu de interes sporit, pentru că oferă posibilitatea studierii

unor proprietăţi fundamentale, precum ar fi: efectele de fluctuaţie, anizotropia şi influenţa ei

asupra curentului critic, câmpurile magnetice critice, efectele dimensionale şi crossoverul. În

astfel de sisteme, forţa de interacţiune dintre straturi influenţează semnificativ proprietăţile

supraconductorilor stratificaţi.

Apariţia în ultimul deceniu a dispozitivelor spintronice supraconductoare, care

funcţionează practic fără degajarea căldurii, cu viteză şi randament înalt, precum şi dezvoltarea

accelerată a spintronicii - electronicii spin-dependente, actualizează din punct de vedere practic,

cercetările câmpurilor magnetice critice în nanostructuri stratificate pe bază de feromagnet şi

supraconductor.

Scopul şi obiectivele studiului:

Scopul principal al acestei lucrări este studiul teoretic al câmpurilor magnetice critice în

nanostructuri cu trei straturi feromagnet/supraconductor/feromagnet şi compararea rezultatelor

obţinute cu datele experimentale existente pentru aplicarea ulterioară a acestora în domeniul

ingineresc al spintronicii supraconductoare.

Pentru realizarea acestor obiective a fost necesar de a soluţiona următoarele sarcini

tehnico-ştiinţifice:

1. Elaborarea unei tehnologii optime de depunere în vid a sistemelor stratificate cu parametri

reproductibili şi strict controlaţi cu scopul de obţinere a nanostructurilor din trei straturi

feromagnet/supraconductor/feromagnet;

2. Pentru optimizarea parametrilor probelor a fost necesar de a investiga compoziţia

elementară, morfologia şi microstructura straturilor supraconductoare şi feromagnetice;

4

3. Studierea fluctuaţiilor termodinamice ale parametrului de ordine supraconductor, a lăţimii

domeniului fluctuaţiilor critice şi schimbării parametrului Ginzburg-Levanyuk în baza

cercetării tranziţiilor rezistive ale probelor feromagnet/supraconductor/feromagnet.

4. Calcularea câmpurilor magnetice critice pentru structuri cu trei straturi

feromagnet/supraconductor/feromagnet;

5. Cercetarea experimentală a câmpurilor magnetice critice şi compararea rezultatelor

calculelor teoretice cu rezultatele experimentale pentru nanostructurile din trei straturi

Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59.

Metodologia cercetării şi instrumentele de studiu:

Sarcinile propuse au fost soluţionate cu ajutorul modelelor şi metodelor de bază ale fizicii

corpului solid şi fizicii supraconductibilităţii, în special, a teoriei Ginzburg-Landau şi

formalismului Usadel, a teoriei Buzdin-Radovic, Yoksana, Prishchepa, care definesc câmpurile

magnetice critice în sisteme supraconductoare multistrat.

Probele au fost obţinute la instalaţia modificată de pulverizare magnetron în vid Z-400 a

companiei Leybold AG. Măsurătorile la temperaturi joase au fost efectuate în criostatul

“HelioxVT” Sorption Pumped 3He Insert “OXFORD Instruments”. Pentru măsurarea câmpurilor

magnetice critice a fost folosit un solenoid supraconductor care generează câmp magnetic de

până la 17T. Studiul proprietăților rezistive ale probelor la temperaturi joase a fost efectuat

utilizînd criostatul - “KelvinoxVT” 3He/

4He dilution refrigerator system, “OXFORD

Instruments”. Analiza compoziţiei probelor a fost efectuată cu ajutorul spectroscopiei Rutherford

de retrodispersie a particulelor alfa şi a microscopiei electronice de transmisie de rezoluţie înaltă,

precum şi la microscopul cu transmisie electronică JEOL Ltd, modelul JEM-2100F. Morfologia

suprafeţei probelor a fost studiată cu ajutorul microscopului de forţă atomică (MFA) a companiei

" VEECO Company", modelul - Dimension TM 3100.

Calculele au fost efectuate cu ajutorul sistemelor matematice MatLab şi Wolfram

Mathematica 9. Pentru activităţi cu grafice şi tabele au fost folosite programele Origin şi Excel.

Noutatea ştiinţifică:

A fost depistată o creştere semnificativă (de 9-10 ori) a parametrului Ginzburg-Levanyuk

în nanostructurile din trei straturi F/S/F relativ valoarii estimate pentru supraconductorii masivi

puri ( , care a cauzat o creştere considerabilă a lăţimii domeniului

fluctuaţiilor critice şi lăţimii tranziţiilor rezistive ale nanostructurilor stratificate

supraconductor/feromagnet până la valorile observate experimental, .

5

Au fost efectuate calculele teoretice pentru câmpurile magnetice critice în nanostructurile

stratificate feromagnet/supraconductor/feromagnet, bazate pe formalismul Usadel, care a permis

definirea adecvată a câmpurilor magnetice critice, atât cantitativ cât şi calitativ, şi care este în

deplin acord cu datele experimentale obţinute.

A fost clarificat mecanismul acţiunii feromagnetului asupra câmpurilor magnetice critice în

sistemele supraconductoare F/S/F. A fost stabilit că creşterea grosimii stratului de material

feromagnetic în sistemul Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 influenţează în mod substanţial dependenţa de

temperatură a câmpurilor magnetice critice perpendiculare şi paralele în raport cu orientarea

straturilor, crescând neliniaritatea şi anizotropia acestora, comparativ cu câmpurile critice ale

peliculelor de niobiu.

În acest studiu a fost soluţionată următoarea problemă principială: au fost calculate

teoretic câmpurile magnetice critice în nanostructurile din trei straturi: feromagnet (aliaj

Cu41Ni59) - supraconductori (Nb) - feromagnet (aliaj Cu41Ni59) şi comparate cu rezultatele

experimentale.

Importanţa practică a lucrării:

Cercetările câmpurilor magnetice critice, efectuate în sistemele Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 pot fi

utilizate în procesul elaborării valvei de spin, propusă de Tagirov [1], precum şi pentru alte

scopuri ale spintronicii supraconductoare. În rezultatul studiului caracteristicilor

comportamentului câmpurilor magnetice critice în nanostructurile din trei straturi: feromagnet

(aliaj Cu41Ni59) – supraconductor (Nb) – feromagnet (aliaj Cu41Ni59) s-a stabilit, că acest sistem

stratificat este de perspectivă şi unul de bază pentru elaborarea dispozitivelor respective.

Tezele de bază înaintate spre susţinere:

A fost efectuat calculul teoretic al câmpurilor magnetice critice cu cea mai bună

aproximare a dependenţei de temperatură a câmpurilor magnetice critice în nanostructurile de

tipul F/S/F din trei straturi, utilizând un set unic, comun de parametri fizici, iar drept exemplu

fiind luată nanosistemul Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59.

A fost demonstrat că stratul feromagnetic influenţează puternic stratul supraconductor,

ceea ce conduce la o extindere bruscă a domeniului fluctuaţiilor critice şi o creştere substanțială a

parametrului Ginzburg-Levanyuk, în comparaţie cu valoarea acestuia pentru supraconductorul

masiv pur.

Rezultatele calculelor teoretice ale câmpurilor magnetice critice, orientate paralel sau

perpendicular în nanostructurile din trei straturi feromagnet-supraconductor/feromagnet (F/S/F)

6

au evidenţiat un comportament non-liniar pronunţat al dependenței câmpurilor magnetice critice

de temperatură, divergent de teoria elaborată de Buzdin-Radovic.

Aprobarea rezultatelor ştiinţifice:

1. Rezultatele cercetărilor au fost prezentate la următoarele conferinţe internaţionale:

2. Conferinţa Internaţională - International Workshop „Interplay between Superconductivity

and Magnetism at Nanometer Scale” – 2008, Salerno, Italia;

3. Conferinţa Internaţională “International Conference on Magnetism – 2009”, Karlsrue,

Germania;

4. Conferinţele Internaţionale “NANO Symposium 2009, 2011”, Chişinău, Moldova;

5. Conferinţele Internaţionale “The International Conference on Mathematics and Computer

Science” în 2009 şi 2011, Chişinău, Moldova;

6. Conferinţele Internaţionale “Conferinţa Fizicienilor din Moldova – CFM” în 2009 şi 2012,

Chişinău, Bălţi, Moldova;

7. Conferinţa Internaţională “International Conference on Superconductivity and Magnetism

– 2010”, Antalia, Turcia;

8. A 5-а Conferinţă Internaţională “International Conference on Materials Science and

Condensed Matter Physics” 2010, Chişinău, Moldova;

9. Conferinţa Internaţională “International Conference on Nanotechnologies and Biomedical

Engineering – 2011”, Chişinău, Moldova.

Publicaţiile la tema tezei:

În baza cercetărilor efectuate au fost publicate 32 de lucrări, inclusiv un capitol în

monografie, 2 articole ştiinţifice în reviste cu factor de impact, 29 rezumate la conferinţe, dintre

care 2 fără coautori. Lista publicaţiilor este prezentată.

Volumul şi structura tezei:

Teza este expusă pe 128 de pagini de text dactilografiat, inclusiv 55 figuri, 3 tabele, lista

literaturii citate, ce conţine 146 referinţe bibliografice. Lucrarea constă din introducere, 5

capitole, concluzii, adnotări în limbile română, engleză şi rusă.

7

СОNŢINUTUL TEZEI

Starea supraconductoare, care a fost observată pentru prima de Heike Kamerlingh Onnes în

anul 1911, se caracterizează printr-o scădere bruscă a rezistenţei electrice la o temperatură,

numită temperatura critică a materialului [2,3]. În aproape jumătate de secol după aceasta au fost

descoperite diverse materiale supraconductoare, dar a fost foarte dificil de a explica la nivel

microscopic toate fenomenele observate în supraconductori, cu excepţia unei serii de teorii

fenomenologice, cum ar fi teoria Ginzburg-Landau, care a explicat manifestările fizice de bază

ale supraconductibilităţii.

Doar, în 1957, a fost elaborată teoria Bardeen (John Bardeen), Cooper (Leon Neil Cooper),

şi Schrieffer (Ioan Robert Schrieffer) – (BCŞ), prima teorie microscopică de succes, în

conformitate cu care, fenomenul de supraconductibilitate se manifestă la apariţia atracţiei

electronilor cu energii comparabile cu nivelul Fermi. Ca urmare, interacţiunea electron-fonon

între reţeaua cristalină şi electroni, crează o atracţie eficace a electronilor şi rezultă cu formarea

unei stări de coerenţă - perechile Cooper [4]. În perechea Cooper electronii se află la o anumită

distanţă de aproximativ o lungime de coerenţă - , care variază într-un interval larg, în funcție de

material ( ). Deoarece perechile Cooper sunt toate în aceeaşi stare cuantică,

întregul sistem este descris de o singură funcţie de undă, şi supraconductibilitatea - este un

fenomen macroscopic cuantic coerent.

Studiul câmpurilor magnetice critice, care apar în supraconductori, a demarat în anii

şaizeci ai secolului trecut, începând cu elaborarea teoriei supraconductorilor omogeni şi izotropi,

dezvoltată în lucrările publicate in anul 1966 de Werthamer-Helfand-Hohenberg (aşa numita

teoria de bază WHH) [5], iar pentru pelicule subţiri - în publicaţiile lui Tinkham din anul 1963

[6]. Câmpurile magnetice critice la supraconductorii anizotropi stratificaţi au fost studiate în

teoria Lawrence-Doniak [7].

Materiale feromagnetice sunt substanţe care au o magnetizare spontană - o stare în care,

chiar şi în absenţa unui câmp magnetic exterior, aceasta nu este nulă. Feromagnetul metalic este

reprezentat în formă de cristal, în nodurile reţelei cristaline caruia sunt ioni cu spinul S sau

momentele magnetice orientate în aceeaşi direcţie. În astfel de cristale sunt spini ai electronilor

nelocalizaţi. Între spinii electronilor de conducţie şi spinii localizaţi S există interacţiune de

schimb . În cazul când interacţiunea de schimb tinde să orienteze spinii

electronilor de conducţie în aceeaşi direcţie ca şi a spinilor localizati, ceea ce este o manifestare a

ordonării feromagnetice. Atunci când – spinii electronilor se orientează în direcţia opusă

şi, deci, se manifestă caracterul antiferomagnetic al ordonării. Din acest motiv, în feromagnet se

8

observă o polarizare a electronilor de conducţie şi banda de conducţie se împarte în două

subzone cu o orientare antiparalelă a spinilor electronilor în subzone.

Feromagnetismul şi supraconductibilitatea (singletă) se exclud reciproc, din cauza modului

diferit de ordonare a spinilor electronilor: antiparalel în feromagneţi şi coliniar în

supraconductori. Perechile Cooper se distrug în feromagnet, deoarece câmpul magnetic tinde să

orienteze spinii electronilor într-o direcţie. Având în vedere, că energia interacţiunii de schimb

dintre momentele localizate şi electronii de conducţie în feromagnet depăşeşte aproximativ

de ori energia de legătură a electronilor într-o pereche Cooper, se produce suprimarea

puternică a supraconductibilităţii de către feromagnetism [8].

În sistemele stratificate supraconductor/feromagnet nu se observă astfel de suprimare a

supraconductibilităţii din două motive. Primul motiv este separarea spaţială a supraconductorului

şi feromagnetului, care reduce efectul câmpului de schimb asupra supraconductorului. De

asemenea, ca urmare a dispicării de schimb a bandei de conducţie a feromagnetului se manifestă

limitarea mecanico-cuantică a transparenţei interfeţei supraconductor/feromagnet - acesta este al

doilea motiv [9].

Datorită efectului de proximitate, supraconductor/feromagnet, în cazul grosimii fixe a

supraconductorului apar oscilaţii ale temperaturii critice, care depind de grosimea materialului

feromagnetic. Unul dintre motivele apariţiei acestor oscilaţii este realizarea unei stări

asemănătoare cu starea Larkin-Ovchinnikov-Fulde-Ferrel (LOFF), care a fost prezisă pentru

materiale masive. Din cauza constrângeri severe privind valoarea energiei de schimb a ordonării

magnetice, condiţiile pentru existenţa supraconductivităţii stabile LOFF în materiale masive sunt

greu de îndeplinit [10,11].

Buzdin şi Radovic au propus să fie examinată structura multistrat [12], care constă din

straturi alternative de supraconductor şi feromagnet. Calculele efectuate au prezis apariţia

diferitor stări LOFF în feromagnet şi, de asemenea, comportament interesant al câmpurilor

magnetice critice, altul decât al celor din supraconductorii omogeni [13]. Studiile teoretice şi

experimentale ale câmpurilor magnetice critice în structurile stratificate au fost efectuate într-o

serie de lucrări pentru straturi din materiale diferite (izolator, metal obişnuit, semiconductor, altul

supraconductor) [14,15]. La structurile stratificate, alcătuite din supraconductor şi feromagnet,

câmpurile magnetice critice au fost analizate doar în câteva studii teoretice: pentru sisteme cu

trei straturi [16] şi experimental pentru sisteme cu două straturi [17]. Prin urmare, obiectivul

principal al studiului nostru a fost de a completa acest domeniu cu informaţia referitor la

câmpurile magnetice critice în structuri de tipul S/F, care la moment lipseşte. Efectuarea studiilor

teoretice ale câmpurilor magnetice critice în structuri cu trei straturi

9

feromagnet/supraconductor/feromagnet şi compararea lor cu rezultatele experimentale este

importantă, de asemenea, pentru aplicaţii inginereşti ulterioare în microelectronică.

În întroducere este argumentată actualitatea cercetării, noutatea ştiinţifică şi semnificaţia

practică a lucrării, sunt identificate scopurile şi obiectivele, precum şi mijloacele şi metodele de

studiu, sunt expuse tezele de bază ce se înaintează spre susţinere, este prezentată lista

conferinţelor internaţionale în cadrul cărora au fost raportate rezultatele lucrării. Sunt

nominalizate domeniile ştiinţei şi tehnicii în care pot fi utilizate rezultatele obţinute.

Capitolul unu oferă o scurtă trecere în revistă a datelor din literatura de specialitate

referitor la starea supraconductoare şi principalele publicaţii ce se referă la câmpurile magnetice

critice în structurile supraconductoare. Concomitent cu descrierea stării supraconductoare

omogene (BCŞ [4]), sunt prezentate particularităţile de bază ale comportamentului stării

supraconductoare neomogene de tipul Larkin-Ovchinnikov-Fulde-Ferrell [10,11]. Se analizează

posibilele abordări experimentale pentru apariţia unei astfel de stări supraconductoare

neobişnuite în material feromagnetic.

Este descris modelul Buzdin-Radovic [12], care are la bază ideea de separare spaţială a

materialului supraconductor şi feromagnetului şi crearea structurii stratificate S/F, în care

limitarea severă referitor la valoarea câmpului de schimb din teoria LOFF devine

nesemnificativă. Sunt descrise diverse metode de cercetare a câmpurilor magnetice critice în

supraconductori izotropi şi omogeni (teoria Werthamer-Helfanda-Hohenberg) [5] şi

supraconductori anizotropi (teoria Tinkham) [6], precum şi pentru o varietate de sisteme multi-

strat (teoria Lawrence-Doniak) [7]. Sunt analizate caracteristicile câmpurilor magnetice critice în

sistemele stratificate, cum ar fi, curbura pozitivă şi crossoverul dimensional, de esemenea, se

oferă date privind cercetarea câmpurilor magnetice critice in sisteme stratificate pentru diverse

materiale, în special, în sistemele stratificate care includ straturi feromagnetice.

În baza analizei datelot din literatura de specialitate, au fost formulate sarcinile principale

ale studiului şi a fost definit obiectul de studiu.

În capitolul doi se descrie utilajul şi metodele folosite în lucrare. Acest capitol incepe cu

analiza proprietăţilor materialelor supraconductoare şi feromagnetice, utilizate la prepararea

nanostructurilor cu trei straturi şi se prezintă descrierea ciclului complet de obţinere a astfel de

structuri.

Niobiul a fost selectat în calitate de material supraconductor, ca element de bază al

spintronicii supraconductoare, temperatura critică a căruia constituie 9.25K [18], deci se află

într-un diapazon de temperaturi convenabil pentru cercetări şi aplicaţii practice. În calitate de

10

material feromagnetic a fost selectat aliajul de nichel, diluat cu cupru, cu scopul de a reduce

temperatura Curie şi, în consecinţă, de a reduce energia de schimb .

Pentru obţinerea nanostructurilor supraconductoare Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 a fost utilizată

metoda magnetron de depunere în vid. Pentru a asigura un grad înalt de uniformitate a grosimii

peliculei de niobiu depuse de-a lungul substratului extins, care are lungimea de 70-80 mm [19],

instalaţia Z-400 a companiei Leibold, a fost echipată cu un dispozitiv special de deplasare a ţintei

de asupra suportului cu substraturi în timpul procesului de depunere. Cu ajutorul dispozitivului

rotativ, ţintele cu diametrul de 75 mm şi de înaltă puritate (Ni - 99,99%, Cu41Ni59 - 99,99%, Si -

99,9999%) se plasau alternativ de asupra substratului în procesul depunerii structurilor F/S/F

[20]. În calitate de substrat au fost folosite pelicule monocristaline de siliciu comercial cu

orientarea (111) [21]. Structurile obţinute au fost acoperite cu un strat protector de siliciu (Fig.

1).

Fig. 1. Reprezentarea schematică a eşantionului F/S/F cu straturile feromagnetice în formă

de pană, pulverizate de sus şi de jos şi grosimea constantă a stratului supraconductor, ca element

de bază al valvei de spin.

Pentru producerea simultană a unei serii de probe, în condiţii de vid strict identice, a fost

utilizată o tehnică specială de depunere asimetrică a stratului feromagnetic (aliajului de cupru-

nichel). În camera de vid, substratul cu stratul depus de niobiu, cu grosimea uniformă a fost

plasat pe suportul de pulverizare, deplasat faţă de axa de simetrie a ţintei feromagnetice de

cupru-nichel şi, folosind gradientul natural al vitezei de pulverizare a ţintei, se efectua

pulverizarea stratului feromagnetic în formă de “pană”, cu o grosime variabilă de-a lungul

substratului, aşa cum este reprezentat în Fig. 1.

S-a efectuat optimizarea tehnologiei, elaborate anterior pentru obţinerea structurilor cu

două straturi [20], cu scopul aplicării acesteia tehnologii la obţinerea structurilor cu trei straturi,

în particular, a fost rezolvată problema de pulverizare inversă - depunerea stratului de

supraconductor pe stratul feromagnetic [22]. Anume, folosirea stratului tampon de siliciu,

11

calculat cu exactitate, a permis de a obţine interfaţa dintre aliajul de cupru-nichel şi niobiu, bine

conturată şi curată ca şi interfaţa dintre niobiu şi aliajul de cupru-nichel.

Această tehnologie de vid, elaborată şi optimizată, permite obţinerea eşantioanelor

reproductibile de nanostructuri cu trei straturi cu parametrii strict identici şi monitorizaţi,

necesari pentru a compara rezultatele experimentale cu calculele teoretice.

Măsurările rezistenţei nanostructurilor Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 la temperaturi joase, de

până la 30mK, s-au efectuat la instalaţia automatizată “Kelvinox”, a companiei Oxford

Instruments, echipată cu un criostat de dizolvare 3He/

4He. Măsurătorile la temperaturi joase au

fost efectuate cu criostatul “HelioxVT”. Pentru măsurarea câmpurilor magnetice critice a fost

folosit un solenoid supraconductor cu un câmp magnetic de până la 17T.

În capitolul trei sunt prezentate rezultatele studiului compoziţiei elementare, a

morfologiei şi microstructurii straturilor de Nb şi aliajului de Cu41Ni59. Pentru aceasta au fost

efectuate cercetări experimentale ale suprafeţei, proprietăţilor structurale şi magnetice ale

probelor prin metodele RBS, TEM, AES şi AFM şi analiza MFM ale nanostructurilor

Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59. Grosimea straturilor şi compoziţia elementară au fost determinate, cu

exactitate înaltă prin metoda spectroscopiei Rutherford de dispersie inversă a particulelor alfa

(Fig. 2).

Fig. 2. a) Spectrul -RBS al probei cu următoarea compoziţie: Si-substrat/Si-

buffer/CuNi/Nb/CuNi/Si-protector; b) Rezultatele estimării grosimii straturilor de-a lungul

probei în structurile cu trei straturi F/S/F, folosind spectrul RBS.

În toate seriile de probe se observă o creştere quasilineară a grosimii straturilor

feromagnetice în limitele 1 - 48 nm, abaterea de la valoarea medie nu este mai mare de 10%.

12

Grosimea stratului de niobiu supraconductor este aproape întotdeauna constantă şi egală cu

aproximativ 15,5 nm.

Gradul de puritate al interfeţelor dintre straturi a fost determinată cu ajutorul microscopiei

electronice de transmisie de înaltă rezoluţie, la microscopul JEOL Ltd. Modelul JEM-2100F

(Fig. 3).

Fig. 3. Secţiunea transversală a probei F/S/F, obţinută cu ajutorul microscopiei electronice de

transmisie (TEM), cu rezoluţie normală şi înaltă.

Se observă bine straturile alternative: substratul de siliciu, un strat tampon de siliciu amorf,

un strat de aliaj nichel-cupru, un strat de niobiu, stratul de aliaj nichel-cupru, şi stratul protector

de siliciu amorf. Se vede inrerfaţa curată, bine pronunţată între straturi.

Calitatea suprafeţei peliculelor a fost analizată cu ajutorul microscopului atomic de forţă şi

a microscopului electronic magnetic, modelul Dimensiuni TM 3100, al companiei “Veeco

Company”, utilizat la determinarea gradului de netezime şi uniformităţi ale materialelor (Fig. 4).

13

Fig. 4. Rezultatele analizelor cu AFM şi MFM a suprafeţei probelor F/S/F.

Se poate de observat omogenitatea peliculei şi posibila prezenţă a clusterelor nu mai mari

de 50-60 nm, ce indică un grad înalt de omogenitate a probelor.

În capitolul patru sunt prezentate rezultatele măsurătorilor tranziţiilor rezistive pentru

diferite valori ale câmpului magnetic în structurile F/S/F (Fig. 5). Valoarea câmpului magnetic

critic pentru o anumită temperatură a fost estimată conform mijlocului tranziiei rezistive. Se

observă, de asemenea, tranziţii bine pronunţate, care indică calitatea înaltă a probelor. Calitatea

tranziţiilor permit de a determina forma lor şi, analizând partea de sus a tranziţiei, se poate de

obţinut valorile conductibilităţii normale şi fluctuaţională [23].

Fig. 5. Tranziţii rezistive R/Rn de T în câmp magnetic paralel cu straturile probei

.

14

Pentru determinarea conductivitaţii normale a fost utilizată metoda de determinare a

în limitele câmpului magnetic perpendicular infinit – prin reducerea pe axa ordonatelor a

valorilor

, atunci când

la suprimarea completă a fluctuaţiilor [24].

Pe baza acestor valori, este posibil de obţinut conductivitatea normală sau fluctuaţională:

и

.

Folosind valorile pentru indicele critic, care depinde de dimensionalitatea sistemei,

, precum şi formulele generale pentru conductivitatea fluctuaţională

şi

parametrul Ginzburg-Levanyuk

, putem prezenta raportul dintre conductivitatea normală

şi fluctuaţonală sub formă de expresii:

pentru supraconductorul 2D

pentru supraconductorii 3D.

Construind în scară logaritmică, raportul conductivităţilor normale şi fluctuaţionale (sau

excesive) ca funcţie de temperatură, am putut observa experimental fluctuaţiile bidimensionale şi

tridimensionale in structurile cu trei straturi feromagnet/supraconductor/feromagnet (Fig. 6), care

experimental arată o creştere substanţială a parametrului Ginzburg-Levanyuk de 10 ori, datorită

influenţei stratului feromagnetic, comparativ cu valoarea pentru supraconductorul pur.

Fig.6. Dependența de temperatură

şi

. Panta curbei, indicată de săgeţi,

prezintă valoarea parametrului Ginzburg-Levanyuk: a) pentru valori ale

câmpului magnetic B = 0 şi B = 0,05 T (fluctuaţiile 2D); b) pentru valori ale

câmpului magnetic B = 5,8 T (fluctuaţiile 3D).

15

Valorile mici ale lungimii de coerenţa în structurile stratificate de

supraconductor/feromagnet , în comparaţie cu lungimea de coerenţă a niobiului

masiv este determinată de influenţa stratului feromagnetic, care adaugă un

canal suplimentar de imprăştiere a electronilor, reducînd lungimea drumul liber al electronilor şi,

ca urmare, şi lungimea de coerenţă. În consecinţă, prezenţa stratului feromagnetic provoacă

creşterea fluctuaţiilor în sistem şi o creştere bruscă a parametrului Ginzburg-Levanyuk.

În capitolul cinci sunt prezentate rezultatele calculelor teoretice ale câmpurilor magnetice

critice pentru structuri cu trei straturi CuNi/Nb/CuNi şi este redată cea mai bună aproximare a lor

cu rezultatele experimentale (Fig. 7), care şi este principalul rezultat ştiințific al acestei lucrări

[25].

Fig. 7. Câmpurile magnetice critice (a) - cu orientare perpendiculară şi (b) - cu orientare

paralelă pentru structurile stratificate feromagnet/supraconductor/feromagnet – compararea

rezultatelor calculelor teoretice (linie neîntreruptă) cu rezultatele experimentale (puncte) pentru

diverse grosimi ale straturilor feromagnetice.

În ambele straturi, feromagnetic şi supraconductor lungimea parcursului liber al

electronului elastic l este mult mai mică decât lungimea de coerenţă, şi ,

respectiv (unde - valoarea energiei de schimb). În asemenea caz este mai bine să fie folosit

termenul de “limită murdară” (dirty limit) şi de aplicat ecuaţia Usadel [26, 27]. S-a utilizat, de

asemenea, faptul că la temperaturi suficient de aproape de temperatura critică , parametrul

de ordine supraconductor este mult mai mic decât temperatura . În această limită

ecuaţia Usadel poate fi prezentată în formă liniară pentru funcţia cuasi-clasică anormală Green -

F:

16

Am folosit condiţiile de limită Kuprianov-Lukichev pentru funcţia anormală Green la

interfaţa supraconductor-feromagnet în imediata apropiere de temperatura critică [28]:

Analizând ambele orientarări ale câmpului magnetic faţă de interfaţa supraconductor-

feromagnet, am ales potentialul vectorial de calibrare pentru fiecare orientare. Am aplicat

abordarea “Ansatz” pentru parametrul de ordine supraconductor şi funcţia anormală Green în

stratul supraconductor [29]:

cu condiţii de limită eficiente şi următorul sens fizic:

– când derivata amplitudinii pare devine egală cu zero

la interfaţa dintre straturi şi fără discontinuităţi.

– când apare discontinuitate, care este asociată cu

polarizarea de spin, pentru ca perechea Cooper să treacă în stratul feromagnetic din

supraconductor şi să găsescă un nivel de energie liber.

Parametrii caracterizază mărimea acţiunii asupra stratului supraconductor din partea

straturilor feromagnetice din ambele parţi, de sus şi de jos, respectiv. Ei pot fi reprezentaţi în

felul următor:

Folosind metoda numerică fundamentală Fominov-Shchelkachev [30], am introdus funcţia

. Ca să rezolvăm ecuaţia pentru stratul supraconductor cu condiţiile de limită

eficiente am îmbinat funcția cu parametrul de ordine dependent de spaţiu şi

problema noastră s-a redus la rezolvarea ecuatiei integrale pentru parametrul de ordine

supraconductor.

17

Folosind convertirea Fourier, am transformat ecuaţia integrală într-un sistem infinit de

ecuaţii liniare pentru a determina valorile lor numerice,

care, prin aplicarea sumării parţiale faţă de frecvenţele Matsubaruvsky, poate fi scrisă în

forma următoare:

unde – funcţia digamma, iar elementul matricii descrie mărimea efectului de

proximitate în stratul supraconductor.

Câmpul magnetic critic şi

coincide cu valoarea maximă a parametrului H,

reprezentat printr-un aşa sistem de ecuaţii, care are o soluţie netrivială şi este reprezentat grafic

în Fig. 7.

Anizotropia câmpurilor magnetice critice în structurile din trei straturi F/S/F pe care le

investigam este mult mai puternică decât la structurile F/S/F studiate anterior. În acelaşi timp,

este o deosebire foarte mare în comportamentul dependenei de temperatură a câmpurilor

magnetice critice perpendiculare, care este complet neliniară în cazul structurilor F/S/F şi

aproape liniară pentru structurile S/F/S şi pentru structurile multistrat S/F din teoria de bază

Buzdin-Radovic.

Pentru a obţine cea mai bună aproximare a teoriei cuasi-clasice cu dateler experimentale în

cazul câmpurilor magnetice paralele şi perpendiculare, obţinute pentru o serie de probe cu

diferite grosimi ale stratului feromagnetic, trebuie de utilizat un singur set comun de parametri

fizici.

Rezultatele studiului teoretic şi experimental al câmpurilor magnetice critice în

nanostructurile F/S/F, elementul de bază al valvei de spin supraconductoare, trebuie să fie

utilizate în calculul şi proiectarea elementelor logice de comutaţie şi a circuitelor spintronicii

supraconductoare.

18

PRINCIPALELE CONCLUZII ŞI RECOMANDĂRI

Scopul principal al acestei lucrări a fost studiul teoretic al câmpurilor magnetice critice în

nanostructurile stratificate feromagnet/supraconductor/feromagnet, compararea rezultatelor

studiului teoretic cu rezultatele măsurătorilor experimentale pentru utilizarea lor ulterioară în

domeniul inginersc al spintronicii supraconductoare.

Pentru atingerea acestui scopi au fost soluţionate următoarele obiective:

A fost optimizată tehnologia obţinerii nanostructurilor supraconductoare în baza metodei

de pulverizăre magnetron în vid pentru prepararea nanostructurilor cu trei straturi

feromagnet/supraconductor/feromagnet. Pentru obţinerea nanostructurilor F/S/F, a fost

soluţionată problema depunerii inverse a stratului de supraconductor peste stratul de material

feromagnetic şi a stratului feromagnetic de asupra stratului supraconductor.

Au fost investigate tranziţiile rezistive în nanostructurile cu trei straturi

feromagnet/supraconductor/feromagnet. S-a detectat o extindere semnificativă a domeniului

fluctuaţiilor critice şi o creştere bruscă a parametrului Ginzburg-Levanyuk (de 10 ori),

comparativ cu valoarea lui pentru supraconductorul omogen masiv.

S-a depistat o modificare reversibilă a dimensionalităţii în nanostructurile

feromagnet/supraconductor/feromagnet sub influenţa câmpului magnetic exterior - de la 2D în

câmpuri magnetice slabe şi nule, spre 3D în câmpuri magnetice puternice, cauzate de fluctuaţiile

bi- şi tridimensionale în aceste nanostructuri.

A fost efectuată analiza teoretică şi s-au calculat câmpurile magnetice critice, orientate

perpendicular şi paralel în nanostructurile stratificate supraconductoare

feromagnet/supraconductor/feromagnet şi a fost identificată cea mai bună aproximare a lor cu

ajutorul unui set comun unic de parametri.

Rezultatele calculelor teoretice şi cercetărilor experimentale pentru câmpurile magnetice

critice orientate paralel şi perpendicular în nanostructurile cu trei straturi

feromagnet/supraconductor/feromagnet au indicat un comportament non-liniar semnificativ, care

diferă de teoria de bază Buzdin-Radovic.

Cercetările câmpurilor magnetice critice efectuate şi tehnologia elaborată de obţinere a

nanostructurilor ar trebui să fie utilizate în calculele, proiectarea şi fabricarea dispozitivelor

supraconductoare de comutaţie ale spintronicii - valva de spin, şi alte elemente logice şi circuite

ale spintronicii supraconductoare, care în comparaţie cu alte dispozitive similare în baza

semiconductorilor, au avantaje considerabile, precum ar fi, viteza înaltă (

Gigahertzi) şi lipsa degajării căldurii în timpul funcţionării.

19

BIBLIOGRAFIE

1. Tagirov L.R. Low-field superconducting spin switch based on a superconductor-

ferromagnet multilayer. Phys. Rev. Lett., 1999, vol. 83, nr. 10, p. 2058-2061.

2. Kamerlingh H.Onnes. Further experiments with liquid helium. C. On the change of

electric resistance of pure metals at very low temperatures, etc. Comm. Phys. Lab.

Univ. Leiden, 1911, no. 120b, p. 124.

3. Dirk van Delft and Kes P. The discovery of superconductivity. J. Physics Today, 2010,

vol. 63, nr. 9, p. 38-44.

4. Bardeen J., Cooper L. N., Schrieffer J. R. Theory of Superconductivity. Phys. Rev.,

1957, vol. 108, nr. 5, p. 1175-1204.

5. Werthamer N. R., Helfand E. and Hohenberg P. C. Temperature and purity

dependence of the superconducting critical field Hc2. III. Electron spin and spin-orbit

effects. Phys. Rev. 147, 1966, p. 295-302.

6. Tinkham M. Effect of Fluxoid Quantization on Transitions of Superconducting Films.

Phys. Rev. 129, 1963, p. 2413-2422.

7. Lawrence W.E., Doniach S. Kyoto, Japan: Proceedings of the Twelfth International

Conference on Low Temperature Physics, 1970, September 4-10, p. 361-362.

8. Bulaevskii L.N., Buzdin A.I. et al. Coexistence of superconductivity and magnetism.

Theoretical predictions and exp. results. Adv. Phys., 1985, vol. 34, nr. 2, p. 175-261.

9. Lazar L., Westerhold K., Zabel H. et al. Superconductor/Ferromagnet proximity effect

in Fe/Pb/Fe trilayers. Phys. Rev. B., 1999, vol. 59, nr. 22, p. 14659-14662.

10. Ларкин А.И., Овчинников Ю.Н. Неоднородное состояние сверхпроводников.

ЖЭТФ, 1964, т.47, вып.3 (9), с.1136-1146.

11. Fulde P., Ferrel R.A. Superconductivity in a strong spin-exchange field. Phys. Rev.,

1964, vol. 135, nr. 3A, p. A550-A563.

12. Radović Z., Buzdin A. I., et al. Transition temperature of superconductor-ferromagnet

superlattices. Phys. Rev. B, 1991, vol. 44, p. 759-764.

13. Radović Z., Buzdin A. I., et al. Upper critical fields of superconductor-ferromagnet

multilayers. Phys. Rev. B, 1988, vol. 38, p. 2388-2393.

14. Jin B.Y., Ketterson J.B. Artificially metallic superlattices. Adv. Phys., 1989, vol. 38,

nr. 4, p. 189-366.

15. Takahashi S. and Tachiki M. Theory of the upper critical field of superconducting

superlattices. Phys. Rev. B, 1986, vol. 33, p. 4620-4631.

20

16. Krunavakarn B., Yoksan S. Upper critical fields of ferromagnet/superconductor

layered structures. Physica C: Supercond., 2006 July, vol. 440, nr. 1-2, p. 25-34.

17. Prischepa S. L., Attanasio C, et al. Upper critical fields and interface transparency in

S/F bilayers. Phys. Rev. B, 2007, vol. 76, nr. 2, p. 024515-024521.

18. Кипер Р. А. Свойства веществ: справочник. Том 1. Изд. Хабаровск, 2009,

Хабаровск, Россия, 388 рр.

19. Sidorenko A., Zdravkov V., Morari R. Dispozitiv de obţinere a peliculelor

supraconductoare. Brevet de invenţie №175 Z 2010.03.31, Cerere de brevet a

20080058 din 2008.02.25, Cl.Int. H 01 L 21/00.

20. Morari R. The method of magnetron sputtering of structures F/S/F and F/S/F/AF type.

Creating of set of heterostructures with identical parameters, and variable thickness of

individual layers. NANO-2011, Chisinau, Moldova, 6-9 July 2011, p. 28-29

21. Елманов Г. Н., Залужный А. Г., Скрытный В. И., Смирнов Е. А., Яльцев В. Н..

Физическое материаловедение, Том 1, Изд. МИФИ, 2007, p. 42

22. Antropov E., Morari R., Zdravkov V., Sidorenko A. Nanolayers with advanced

properties for superconducting spintronics. Journal of Nanoelectronics and

Optoelectronics, 2013, vol. 7, nr. 7, p. 678-680.

23. Antropov E. Change of the effective dimensionality of CuNi/Nb/CuNi trilayer in an

external magnetic field. Moldova, Chisinau, NANO-2011, 6 –10 October, p. 58.

24. Sidorenko A. S., Tagirov L. R., Zdravkov V. I., et al. Fluctuation Conductivity in

Superconducting MgB2. JETP Letters, 2002, vol. 76, nr. 1, p. 17–20.

25. Antropov E., Kalenkov M. S., Sidorenko A. S., et al. Experimental and theoretical

analysis of the upper critical field in ferromagnet-superconductor-ferromagnet

trilayers. Superconductor Science and Technology 2013, vol. 26, p. 085003-085012.

26. Usadel K. The diffusion approximation for superconducting alloys. Phys. Rev. Lett.

1970, vol. 25, p. 507-510.

27. Belzig W., Wilhelm F.K., Zaikin A.D., et al. Quasiclassical Green‘s function approach

to mesoscopie superconductivity. Superlatt. Microstruct., 1999, vol. 25, p. 1251-1288.

28. Kuprianov M. Yu. and Lukichev V.F. Influence of boundary transparency on the

critical current of "dirty" SS'S structures. Zh. Eksp. Teor. Fiz, 1988, vol.94, p.139-149.

29. Radović Z., Ledvij M. and Dobrosavljević-Grujić Lj. Phase diagram of

superconductor-ferromagnet superlattices. Solid State Commun., 1991, vol. 80, p. 43.

30. Fominov Ya. V., Chtchelkatchev N.M. and A.A. Golubov. Nonmonotonic critical

temperature in S/F bilayers. Phys. Rev. B, 2002, vol. 66, p. 014507-014520.

21

LISTA PUBICAŢIILOR AUTORULUI

Capitole în monografii:

1. Sidorenko A.S., Zdravkov V.I., Kehrle J., Morari R., Antropov E., Obermeier

G., Gsell S., Schreck M., Müller C., Ryazanov V.V., Horn S., Tidecks R., Tagirov

L.R. Extinction and Recovery of Superconductivity by Interference in

Superconductor/Ferromagnet Bilayers. In book: Nanoscale Phenomena –

Fundamentals and Applications. Ed. by H. Hahn, A. Sidorenko, I. Tiginyanu.

Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg ©, 2009, p. 3-11.

Articole in reviste cu factor de impact:

2. Morari R., Zdravkov V., Antropov E., Sidorenko A. Nanolayers with advanced

properties for superconducting spintronics. Journal of Nanoelectronics and

Optoelectronics 2013, vol. 7, nr. 1-3, p. 678-680.

3. Antropov E., Kalenkov M. S., Kehrle J., Zdravkov V. I., Morari R., Lenk D.,

Socrovisciuc A., Horn S., Tagirov L. R., Zaikin A. D., Sidorenko A. S., Horst Hahn,

Tidecks R. Experimental and theoretical analysis of the upper critical field in

ferromagnet-superconductor-ferromagnet trilayers. Superconductor Science and

Technology 2013, vol. 26, p. 085003-085012.

Articole in culegeri internationale:

4. Kehrle J., Zdravkov V., Morari R., Prepelitsa A., Antropov E., Wixforth A., Horn S.,

Tidecks R., Sidorenko A. Change of the effective dimensionality of superconducting

Nb/CuNi bilayers in an external magnetic field. Italy, Salerno: Proceedings of

International Workshop “Interplay between Superconductivity and Magnetism at

Nanometer Scale”, 2008, p.24.

5. Zdravkov V., Morari R., Antropov E., Prepelitsa A., Socrovisciuc A., Sidorenko A.

Nanolayers with advanced properties for superconducting spintronics. Chisinau:

Proceedings of the International Conference ICT+ “Information and Communication

Tehnologies – 2009”, 18-21 May 2009, p. 49 – 53.

6. Socrovischiuc A., Prepelitsa A., Cojocaru V., Surdu A., Antropov E., Morari R.,

Banduryan B., Bazaleev M., Klepikov V., Lytvynenko V., Sidorenko A. Infrared

system for control of postoffice messages. Moldova, Chisinau: Proceedings of the 6th

International Conference on Microelectronics and Computer Science ICMCS-2009.

October 1-4, 2009, p. 33 – 34.

7. Zdravkov V., Morari R., Antropov E., Prepelitsa A., Socrovischiuc A., Surdu A.,

Cojocaru V., Sidorenko A. High quality Nb and Nb/CuNi nanolayers for

superconducting spintronics. Moldova, Chisinau: Proceedings of the 6th

International

22

Conference on Microelectronics and Computer Science ICMCS-2009. October 1-4,

2009, p. 154 – 155.

8. Morari R., Zdravkov V., Antropov E., Socrovischiuc A., Prepelitsa A., Tagirov L.R.,

Kupryanov Mu.Yu., Sidorenko A. Nonmonotonic behaviour of superconducting

critical tempereture of Nb/CuNi bilayers with a nanometer range of layer thickness. In:

Proceedings of the 6th

International Conference on Microelectronics and Computer

Science ICMCS-2009. Chisinau, Republic of Moldova, October 1-4 2009, p. 160 –

162.

9. Zdravkov V., Morari R., Prepelitsa A., Antropov E., Socrovischiuc A., Sidorenko

A.S. Nanolayers with advanced properties for superconducting spintronics. Republic

of Moldova, Chisinau: Proceedings of the International Conference “Information and

Communication Technologies – 2009”, 2009, p. 90-93.

10. Sidorenko A., Zdravkov V., Morari R., Antropov E., Kehrle J., Obermeier

G., Müller

C., Ryazanov V.V., Horn S., Tidecks

R., Kupriyanov M. , Tagirov L.R. Re-entrant

superconductivity in SF-hybrids. Turkey, Antalya: Proceedings of the International

Conference on Superconductivity and Magnetism ICSM-2010, 25-30 April, 2010, p.

637.

11. Zdravkov V., Tagirov L., Morari R., Prepelita A., Antropov E., Sidorenko A.

Thickness adjustment of superconducting and ferromagnet layers in superconducting

spin – switch based on proximity effect. Moldova, Chisinau: Proceedings of the 3rd

International Conference „Telecommunications, Electronics and Informatics”, May 20

- 23, 2010, vol. 1, p. 306-308.

12. Sidorenko A., Socrovischiuc A., Prepelitsa A., Surdu A., Antropov E., Morari R.,

Zasavitsky E., Banduryan B., Bazaleev M., Klepikov V., Lytvynenko V. Infrared

system for control of postoffice messages. Moldova, Chisinau: Proceedings of NATO

Advanced Study Institute, 7-17 June 2010, p. 16.

13. Sidorenko A., Zdravkov V., Morari R., Antropov E., Prepelita A., and Tagirov L.

Superconducting spin switch based on proximity effect for spintronics. Romania, Iasi:

Proceedings of the 6th European Conference on Intelligent Systems and Technologies

ECIT 2010, October 7-9, 2010, (5pp.)

14. Kehrle J., Zdravkov V., Müller C., Obermeier G., Schreck M., Gsell S., Horn S.,

Tidecks R., Morari R., Prepelitsa A., Antropov E., Socrovisciuc A., Nold E., Tagirov

L., Sidorenko A. Superconducting spin switch based on superconductor-ferromagnet

nanostructures for spintronics. In: International Conference on Nanotechnologies and

Biomedical Engineering. Moldova, Chisinau: Proceedings in German-Moldovan

Workshop on Novel Nanomaterials for Electronic, Photonic and Biomedical

Applications. July 7-8, 2011, p. 173-175.

15. Morari R., Kehrle J., Zdravkov V., Antropov E., Prepelitsa A., Socrovisciuc

A., Obermeier G., Müller C., Horn S., Tagirov L., Tidecks R., Sidorenko A.

Microstructure of Nb/CuNi nanostructures. Moldova,: Proceedings of the 7th

International Conference on “Microelectronics and Computer Science”, September 22-

24, 2011, p. 144-145.

16. Zdravkov V.I., Obermeier G., Garcia-garcia J., Kehrle J., Ullrich A., Müller C.,

Morari R., Antropov E., Horn S., Tagirov L.R., Tidecks R., Sidorenko A.S.

23

Superconducting critical temperature reentrance in F/S/F three-layered structures

based on Nb and Cu41Ni59 alloy. Moldova, Chisinau: Proceedings in the 4th

International Conference on Telecomunications, Electronics and Informatics, May 17-

20, 2012., vol. 1, p.222-226.

Teze ale comunicărilor ştiinţifice:

17. Müller C., Wixforth A., Horn S., Tidecks R., Sidorenko A., Kehrle Jan-Michael,

Zdravkov V., Obermeier G., Morari R., Antropov E., Prepelitsa A. 2D-3D behaviour

in superconducting Nb/CuNi bilayers in a magnetic field. Germany, Dresden: 73th

Annual Meeting of the DPG and DPG Spring Meeting. 22-27 March 2009, TT 32.16

18. Kehrle J. M., Zdravkov V. I., Morari R., Prepelitsa A., Antropov E., Socrovishiuc A.,

Müller C., Wixforth A., Horn S., Tidecks R., Tagirov L. R., Sidorenko A. S. Change

of the effective dimensionality of a superconductor/ferromagnet bilayer in a magnetic

field. Germany, Karlsruhe: The International Conference on Magnetism – ICM 2009,

July 26-31, 2009. Abstracts p.79.

19. Kehrle J., Zdravkov V., Morari R., Prepelitsa A., Antropov E., Wixforth A., Horn S.,

Tidecks R., Sidorenko A. Effective dimensionality of Nb/CuNi bilayer in strong

magnetic field. Moldova, Chisinau: Humboldt Kolleg & Symposium “NANO-2009”,

September 17-20, 2009, Abstract Book p. 32.

20. Morari R., Zdravkov V.I., Antropov E., Awawdeh A., Prepelita A., Tagirov L.R.,

Kupriyanov M.Y., Sidorenko A.S. Non monotonic behaviour of superconducting

critical temperature of Nb/CuNi films with a nanometer range of layer thickness.

Moldova, Bălţi: Tezele comunicărilor la Conferinţa ştiinţifică internaţională:

Proprietăţile fizice ale substanţelor în diverse stări. 6-10 Octombrie 2009, p.65.

21. Sidorenko A.S., Zdravkov V., Morari R., Antropov E., Prepelitsa A., Kehrle J.,

Obermaier G., Müller C., Horn S., Ryazanov V.V., Kupriyanov M., Tagirov L.R. and

Tidecks R. Double re-entrant superconductivity in SF-hybrids. Russia,

Chernogolovka: I.F.Schegolev Memorial Conference “Low – Dimensional Metallic

and Superconducting Systems”, October 11-16, 2009, Abstract Book p. 30.

22. Morari R., Zdravkov V.I., Antropov E., Awawdeh A., Prepelita A., Tagirov L.R.,

Kupriyanov M.Yu., Sidorenko A.S. Non monotonic behavior of superconduction

critical temperature of Nb/CuNi films with a nanometer range of layer thickness.

Moldova, Chisinau: Conferinţa Fizicienilor din Moldova CFM-2009, November 26-

27, 2009, Abstract Book p. 85-87.

23. Sidоrеnkо A., Soсrovisсhiuс A., Prеpelitsa A., Surdu A., Antropov E., Мorari R.,

Zasavitsky E., Bandurуan B., Bazaleev M., Klepikov V., Lytvynenko V. Infrared

system for control of postoffice messages. Moldova, Chisinau: International

Conference “Technological innovations in detection and sensing of chemical

biological radiological nuclear (CBRN) threats and ecological terrorism”. 7-17 June

2010, Abstract Book p. 83.

24. Kehrle J., Zdravkov V.I., Morari R., Antropov E., Prepelita A., Socrovischiuc A.,

Obermaier G., Müller C., Horn S., Tagirov L., Tidecks R., Sidorenko A.

24

Microstructures of CuNi layers in Nb/CuNi hybrids: HRTEM study. Moldova,

Chisinau: 5th Conference on Materials Science and Condensed Matter Physics

MSCMP 2010. September 13-17, 2010, Abstract Book p.128.

25. Kehrle J.-M., Zdravkov V.I., Morari R., Prepelita A., Antropov E., Socrovischiuc A.,

Müller C., Wixforth A., Horn S., Tidecks R., Tagirov L. R., Sidorenko A. Crossover

of the dimensionality of superconductor/ferromagnet bilayer in magnetic field.

Moldova, Chisinau: 5th Conference on Materials Science and Condensed Matter

Physics MSCMP 2010. September 13-17, 2010, Abstract Book p.171.

26. Kehrle J., Zdravkov V., Müller C., Obermeier G., Schreck M., Gsell S., Horn S.,

Tidecks R., Morari R., Prepelitsa A., Antropov E., Socrovisciuc A., Tagirov L.,

Sidorenko A. Variation of the superconducting coherence length in

Superconductor/Ferromagnet bilayers. Moldova, Chisinau: International Conference

NANO-2011 “Cooperation and Networking of Universities and Research Institutes –

study by doing research”, 6-10 October 2011, Program Abstract Book, p. 22.

27. Prepelita A., Zdravkov V., Morari R., Socrovisciuc A., Antropov E., Sidorenko A.

Nanolayers with advanced properties for superconducting nanoelectronics. Moldova,

Chisinau: International Conference NANO-2011 “Cooperation and Networking of

Universities and Research Institutes – study by doing research”, 6 –10 October 2011,

Program Abstract Book, p. 42.

28. Antropov E. Change of the effective dimensionality of CuNi/Nb/CuNi trilayer in an

external magnetic field. Moldova, Chisinau: International Conference NANO-2011

“Cooperation and Networking of Universities and Research Institutes – study by doing

research”, 6 –10 October 2011, Program Abstract Book p. 58.

29. Zdravkov V. I., Obermeier G., Garcia-garcia J., Kehrle J., Ullrich A., Müller C.,

Morari R., Antropov E., Horn S., Tagirov L. R., Tidecks R., Sidorenko A. S. Quasi-

one dimensional FFLO-like state in three-layered structures based on Nb and Cu41Ni59

alloy. Moldova, Chisinau: 6th Conference on Materials Science and Condensed Matter

Physics MSCMP-2012, September 11-16, 2012, Abstract Book, p 221.

30. Антропов Евгений. Верхнее критическое магнитное поле в трехслойных

структурах ферромагнетик-сверхпроводник-ферромагнетик (FSF). Republic of

Moldova, Balti: Conferinţa Fizicienilor din Moldova CFM-2012, October 22-23,

2012. Abstract Book p.108-109.

31. Cojuhar V., Zdravkov V. I., Morari R., Obermeier G., Garcia-garcia J., Kehrle J.,

Ullrich A., Müller C., Antropov E., Horn S., Tagirov L. R., Tidecks R., Sidorenko A.

S., The re-entrant behavior of superconductivity in superconducting three-layered

structures based on Nb and Cu41Ni59 alloy. Republic of Moldova, Balti: Conferinţa

Fizicienilor din Moldova CFM-2012, October 22-23, 2012. Abstract Book p. 22-23.

32. Morari R., Zdravkov V. I., Obermeier G., Garcia-garcia J., Ullrich A., Müller C.,

Antropov E., Horn S., Tagirov L. R., Tidecks R., Sidorenko A. S. Quasi-one

dimensional FFLO-like superconducting state in two- and three-layered structures

based on Nb and Cu41Ni59 alloy. Republic of Moldova, Balti: Conferinţa Fizicienilor

din Moldova CFM-2012, October 22-23, 2012. Abstract Book p. 14.

25

ADNOTARE

Numele de familie, prenumele autorului: Antropov Evgheni.

Titlul tezei: Câmpuri magnetice critice în nanostructuri supraconductoare pe bază de

Niobiu şi aliaj de Cupru-Nickel.

Gradul ştiinţific solicitat: doctor în ştiinţe fizico-matematice.

Localitatea: or. Chişinău, Republica Moldova.

Anul perfectării tezei: 2013.

Structura tezei: Teza de doctor constă din introducere, cinci capitole, concluzii, lista

literaturii citate, cu 146 referinţe. Lucrarea are 128 pagini de text, 55 figuri şi 3 tabele.

Numărul de publicaţii le temă: În baza cercetărilor efectuate au fost publicate 32 de

lucrări, inclusiv un capitol în monografie, 2 articole ştiinţifice în reviste cu factor de impact, 29

rezumate la conferinţe, 2 dintre care fără coautori.

Cuvinte cheie: supraconductor, nanostructuri stratificate, сâmpuri magnetice critice,

domeniul fluctuaţiilor critice, crossover dimensional, parametrul Ginzburg-Levanyuk,

spintronică.

Domeniul de cercetare: Supraconductibilitatea în structuri hibride, spintronica.

Scopul lucrării ştiinţifice: Studiul teoretic al câmpurilor magnetice critice în nanostructuri

stratificate feromagnet/supraconductor/feromagnet şi compararea rezultatelor obţinute cu datele

experimentale pentru utilizarea lor ulterioară în domeniul ingeneresc al spintronicii

supraconductoare.

Obiectivele studiului: elaborarea unei tehnologii optime de depunere magnetron în vid

pentru fabricarea straturilor cu parametrii reproductibili şi strict controlaţi şi obţinerea

nanostructurilor stratificate feromagnet/supraconductor/feromagnet; investigarea compoziţiei

elementare, morfologiei şi microstructurii straturilor de supraconductor şi feromagnet cu scopul

optimizării parametrilor; studiul tranziţiilor rezistive în nanostructurile

feromagnet/supraconductor/feromagnet, analiza fluctuaţiilor termodinamice ale parametrului de

ordine supraconductor, lăţimea domeniului fluctuaţiilor critice şi schimbarea parametrului

Ginzburg-Levanyuk; efectuarea calculului teoretic al câmpurilor magnetice critice în

nanostructuri stratificate feromagnet/supraconductor/feromagnet; efectuarea cercetărilor

experimentale ale câmpurilor magnetice critice pentru nanostructurile stratificate

Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 şi compararea rezultatelor calcurilelor teoretice cu datele experimentale.

Noutatea ştiinţifică şi originalitatea rezultatelor obţinute: S-a depistat o creştere

semnificativă (de 9-10 ori) a parametrului Ginzburg-Levanyuk în nanostructurile stratificate

F/S/F. A fost evidenţiat clarificat mecanismul de influenţă a feromagnetului asupra câmpurilor

magnetice critice în nanosistemele supraconductoare F/S/F, s-a demonstrat, că creşterea grosimii

stratului de material feromagnetic în nanosistemul Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 influenţează

semnificativ dependenţa de temperatură a câmpurilor magnetice critice perpendiculare şi paralele

faţa de straturi, crescând neliniaritatea şi anizotropia lor în comparaţie cu câmpurile magnetice

critice în straturilor subţiri de niobiu.

Principala problemă ştiinţifică şi tehnică rezolvată: au fost efectuate calculele teoretice

ale câmpurilor magnetice critice în nanostructurile stratificate feromagnet (aliajul Cu41Ni59) –

supraconductor (Nb) – feromagnet (aliajul Cu41Ni59) cu scopul compararării lor cu resultatele

experimentale pentru aceste nanostructuri stratificate.

Valoarea practică: Rezultatele obţinute pot servi la proiectarea şi elaborarea valvei de

spin, propusă de Lenar Tagirov, precum şi pentru alte probleme ale spintronicii

supraconductoare.

26

АННОТАЦИЯ

Фамилия, имя автора: Антропов Евгений.

Название диссертации: Критические магнитные поля сверхпроводящих

наноструктур на основе ниобия и сплава медь-никель. Соискание ученой степени доктора физико-математических наук.

Место защиты: г. Кишинэу, Республика Молдова.

Год представления диссертации: 2013.

Структура диссертации: введение, пять глав, заключение, библиография – 146

источников. Работа содержит 128 страниц текста, 55 рисунков и 3 таблицы.

Количество публикаций по теме: полученные результаты опубликованы в одной

монографии, в 2 научных статьях рецензируемых журналов, а также в 29 трудах и тезисах

конференций, из них 2 без соавторов.

Ключевые слова: сверхпроводник, многослойные наноструктуры, критические

магнитные поля, область критических флуктуаций, размерный кроссовер, параметр

Гинзбурга-Леванюка, спинтроника.

Область исследования: сверхпроводимость в гибридных структурах, спинтроника.

Цель данной работы: теоретическое исследование критических магнитных полей в

трёхслойных наноструктурах ферромагнетик-сверхпроводник-ферромагнетик и сравнение

с экспериментальными данными для последующего применения полученных результатов

в инженерной области сверхпроводниковой спинтроники.

Задачи исследования: разработать оптимальную вакуумную технологию

магнетронного напыления для получения слоистых систем F/S/F с воспроизводимыми и

строго контролируемыми параметрами; исследовать элементный состав, морфологию и

микроструктуру слоев сверхпроводника и ферромагнетика с целью оптимизации

параметров; на основе исследования резистивных переходов образцов F/S/F изучить

термодинамические флуктуации сверхпроводящего параметра порядка, ширину

критической области и изменение параметра Гинзбурга-Леванюка; провести

теоретический расчёт критических магнитных полей для трёхслойных наноструктур

F/S/F; провести экспериментальное исследование критических магнитных полей и

сравнить результаты теоретических расчётов и экспериментальных результатов для

трёхслойных наноструктур Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59.

Научная новизна и оригинальность настоящего исследования состоит в

следующем: обнаружено существенное увеличение (на 9-10 порядков) параметра

Гинзбурга-Леванюка в трёхслойных F/S/F наноструктурах. Выполненные теоретические

расчёты для критических магнитных полей слоистых наноструктур F/S/F позволили

получить их адекватное описание, количественно и качественно согласующееся с

полученными экспериментальными данными. Показано, что слой ферромагнетика в

наносистеме Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 с увеличением его толщины существенно влияет на

температурные зависимости критических магнитных полей перпендикулярной и

параллельной по отношению к слоям ориентации, увеличивая их нелинейность и

анизотропию по сравнению с критическими полями одиночных пленок ниобия.

В процессе работы была решена главная научно-техническая задача:

теоретически рассчитаны критические магнитные поля и сравнены с результатами

эксперимента в трёхслойных наноструктурах ферромагнетик (сплав Cu41Ni59) –

сверхпроводник (Nb) – ферромагнетик (сплав Cu41Ni59).

Практическая значимость работы состоит в следующем: полученные результаты

могут оказаться полезными в разработке спинового вентиля, предложенного Ленаром

Тагировым, а также для других задач сверхпроводниковой спинтроники.

27

SUMMARY

Name, Surname: Evgheni Antropov

Thesis title: The critical magnetic fields of superconducting nanostructures based on Nb

and Cu-Ni – alloy layers

Academic degree: doctor of the physical and mathematical sciences

Place: Chisinau, Moldova

Year of presentation: 2013

Dissertation contents: introduction, five chapters, general conclusions and

recommendations, bibliography – 146 references. The work contains 128 pages of the main part,

55 figures and 3 tables.

Number of publications: the obtained results are presented in 32 scientific papers.

Key words: superconductor, thin films, the critical magnetic fields, the width of the region

of critical fluctuations, dimensional crossover, the Ginzburg-Levanyuk criterion, spintronics.

Field of research: superconductivity in hybrid structures, spintronics.

The aim of the work: theoretical study of the critical magnetic fields in three-layered

nanostructures of the ferromagnet-superconductor-ferromagnet and comparison with

experimental data for the subsequent application of the obtained results in the engineering field

of superconducting spintronics.

The scientific originality of the research consists in: An original vacuum technology of

magnetron sputtering is optimized for preparation of high quality nanostructures

ferromagnet/superconductor/ferromagnet, which allows to produce a series of superconducting

structures with variable thickness of the ferromagnet layers and strictly identical and controllable

parameters in a single cycle of deposition; based on studies of resistive transitions in

ferromagnet/superconductor/ferromagnet samples need to study the thermodynamic fluctuations

of the superconducting order parameter, the width of the critical region and the change of the

Ginzburg-Levanyuk criterion; execute the theoretical calculation of the critical magnetic fields

for the three-layered nanostructures of the ferromagnet-superconductor-ferromagnet and

compare them with experimental data in three-layered nanostructures Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59

In frame of this work the main scientific and technical problem was resolved: found a

significant increase (by 9-10 orders) of the Ginzburg-Levanyuk criterion in three-layered F/S/F

nanostructures in compare with value for pure bulk superconductors ,

which significantly increased the broadening of the critical fluctuations and the width of the

resistive transition of layered superconductor-ferromagnet structures to the experimentally

observed values, ; performed theoretical calculations for the critical magnetic

fields of layered nanostructures ferromagnet-superconductor-ferromagnet based on Usadel

formalism, which provided an adequate description of the critical magnetic fields, which is in

agreement with experimental data; increasing of thickness of ferromagnet layer in system

Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 substantially affect on the temperature dependence of the critical magnetic

fields in perpendicular and parallel orientation and increase the non-linearity and their anisotropy

in compare with the critical magnetic fields of single niobium films.

The practical importance of the research consists in: The studies of the critical magnetic

fields in the system Cu41Ni59/Nb/Cu41Ni59 may be useful in the development of spin valve,

proposed by Lenar Tagirov, and for other tasks in superconducting spintronics. Learned

behaviors of the critical magnetic fields in three-layered nanostructures ferromagnet (alloy

Cu41Ni59) – superconductor (Nb) – ferromagnet (alloy Cu41Ni59) make similar layered system as

the base for the creation of such devices.

28

ANTROPOV EVGHENI IGOR

CÂMPURI MAGNETICE CRITICE ÎN NANOSTRUCTURI

SUPRACONDUCTOARE PE BAZĂ DE NIOBIU ŞI ALIAJ

CUPRU-NICHEL

01.04.07 Fizica stării condensate

Autoreferatul tezei de doctor în ştiinţe fizico-matematice

Insti tutul de Inginerie Electronica şi Nanotehnologii “D. Ghiţu”

str. Academiei, 3/3, MD-2028, Chişinău, Republica Moldova.

Aprobat spre tipar: 01.08.2013

Hîrtie standart Tipar laser

Coli de tipar.: 1.0

Formatul hîrtiei: 60х84 1/16

Tiraj 20 ex

Comanda nr. 2