Närhetseffekt (supraledning)

Plot som visar supraledande elektrondensitet kontra djup i normala och supraledande skikt med två koherenslängder ,

\xi

och

\xi _{n}

.

Närhetseffekt eller Holm–Meissner-effekt är en term som används inom supraledningsområdet för att beskriva fenomen som uppstår när en supraledare (S) sätts i kontakt med en "normal" (N) icke-supraledare. Typiskt undertrycks den kritiska temperaturen $T_{c}$ för supraledaren och tecken på svag supraledning observeras i det normala materialet över avstånd . Närhetseffekten är känd sedan R. Holms och W. Meissners banbrytande arbete. De har observerat noll motstånd i SNS-pressade kontakter, där två supraledande metaller separeras av en tunn film av en icke-supraledande (dvs normal) metall. Upptäckten av superströmmen i SNS-kontakter tillskrivs ibland felaktigt Brian Josephsons arbete från 1962, men effekten var känd långt innan hans publicering och förstods som närhetseffekten.

Effektens ursprung

Elektroner i supraledande tillstånd hos en supraledare är ordnade på ett helt annat sätt än i en vanlig metall, dvs de är ihopparade till Cooper-par . Dessutom kan elektroner i ett material inte sägas ha en definitiv position på grund av momentum- positionskomplementariteten . I fasta tillståndets fysik väljer man i allmänhet en momentum-rymdbas, och alla elektrontillstånd är fyllda med elektroner tills Fermi-ytan i en metall, eller tills gapkantsenergin i supraledaren.

På grund av icke-lokaliteten hos elektronerna i metaller, kan egenskaperna hos dessa elektroner inte förändras oändligt snabbt. I en supraledare är elektronerna ordnade som supraledande Cooper-par; i en normal metall är elektronordningen gapfri (enkelelektrontillstånd fylls upp till Fermi-ytan ). Om supraledaren och normalmetallen sammanförs kan elektronordningen i det ena systemet inte oändligt plötsligt ändras till den andra ordningen vid gränsen. Istället förs det parade tillståndet i det supraledande lagret över till den normala metallen, där parningen förstörs av spridningshändelser, vilket gör att Cooper-paren förlorar sin koherens. För mycket rena metaller, som koppar , kan parningen bestå i hundratals mikrometer.

Omvänt överförs den (gaplösa) elektronordningen som finns i den normala metallen också över till supraledaren genom att det supraledande gapet sänks nära gränsytan.

Den mikroskopiska modellen som beskriver detta beteende i termer av enstaka elektronprocesser kallas Andreev-reflektion . Den beskriver hur elektroner i ett material antar ordningen för det angränsande lagret genom att ta hänsyn till gränssnittstransparens och tillstånden (i det andra materialet) från vilka elektronerna kan spridas.

Översikt

Som en kontakteffekt är närhetseffekten nära relaterad till termoelektriska fenomen som Peltier-effekten eller bildandet av pn-övergångar i halvledare . Förstärkningen av närhetseffekten av $T_{c}$ är störst när det normala materialet är en metall med stor diffusivitet snarare än en isolator (I). Närhetseffektundertryckning av $T_{c}$ i en spin-singlet-supraledare är störst när det normala materialet är ferromagnetiskt, eftersom närvaron av det interna magnetfältet försvagar supraledning ( -par bryter).

Forskning

Studiet av S/N, S/I och S/S' (S' är lägre supraledare) dubbelskikt och flerskikt har varit ett särskilt aktivt område för forskning om supraledande närhetseffekter. Uppförandet av den sammansatta strukturen i riktningen som är parallell med gränsytan skiljer sig från den som är vinkelrät mot gränsytan. I supraledare av typ II som utsätts för ett magnetiskt fält parallellt med gränssnittet kommer virveldefekter företrädesvis att bilda kärnor i N- eller I-skikten och en diskontinuitet i beteende observeras när ett ökande fält tvingar in dem i S-skikten. I supraledare av typ I kommer flöde på liknande sätt först att penetrera N-skikt. Liknande kvalitativa förändringar i beteende inträffar inte när ett magnetfält appliceras vinkelrätt mot S/I- eller S/N-gränssnittet. I S/N och S/I flerskikt vid låga temperaturer kommer de långa penetrationsdjupen och koherenslängderna för Cooper-paren att tillåta S-skikten att upprätthålla ett ömsesidigt, tredimensionellt kvanttillstånd. När temperaturen höjs förstörs kommunikationen mellan S-skikten, vilket resulterar i en övergång till tvådimensionellt beteende. Det anisotropa beteendet hos S/N, S/I och S/S' dubbelskikt och flerskikt har tjänat som en grund för att förstå de mycket mer komplexa kritiska fältfenomenen som observeras i de mycket anisotropa kuprat-superledarna med hög temperatur .

Nyligen observerades Holm–Meissner-närhetseffekten i grafen av forskargruppen Morpurgo. Experimenten har gjorts på enheter i nanometerskala gjorda av enkla grafenlager med överlagrade supraledande elektroder gjorda av 10 nm titan och 70 nm aluminiumfilmer. Aluminium är en supraledare, som är ansvarig för att inducera supraledning till grafen. Avståndet mellan elektroderna låg i intervallet mellan 100 nm och 500 nm. Närhetseffekten manifesteras av observationer av en superström, dvs en ström som flyter genom grafenövergången med noll spänning på korsningen. Genom att använda grindelektroderna har forskningen visat att närhetseffekten uppstår när bärarna i grafenet är elektroner såväl som när bärarna är hål. Den kritiska strömmen för enheterna var över noll även vid Dirac-punkten.

Abrikosov vortex och närhetseffekt

Här visas att en kvantvirvel med en väldefinierad kärna kan existera i en ganska tjock normalmetall, nära en supraledare.

Se även

Andreev-reflektion – Spridningsprocess vid normal-metall-supraledare-gränssnittet
Josephson-effekten – Kvantfysikaliskt fenomen

Superconductivity of Metals and Alloys av PG de Gennes , ISBN 0-201-40842-2 , en lärobok som ägnar betydande utrymme åt den supraledande närhetseffekten (kallad "gränseffekt" i boken).