二维约瑟夫森结阵列中相变和噪声频谱研究

摘要

近年来，约瑟夫森结阵列Josephson Junction Arrays(JJAs)模型广泛应用于研究超导体中的磁通运动及Ⅱ类超导体中的相变。在Ⅱ类超导体极低磁场情况下，人们已广泛接受了可由二维约瑟夫森结阵列中的Kosterlitz ThoulessBerezinskii(KTB)相变描述超导相变。当温度低于KTB相变温度T<,KTB>，低磁场下激发的涡旋与反涡旋束缚成对，涡旋的有序排列使超导体在低磁场下呈完全抗磁性的超导态；当温度高于T<,KTB>，束缚的涡旋对态被无序的热运动破坏，形成独立的自由涡旋运动。涡旋运动使磁通的有序排列转化为无序排列，这种变化称为磁通融化。磁通融化后的运动产生电阻，改变材料的超导性质为有电阻的正常态性质。因此磁通融化相变与Ⅱ类超导体中超导到正常态的变化非常相近。磁场增大也能促使磁通排列从有序到无序的融化相变。 为了研究高温超导薄膜和人造超导阵列中由涡旋热运动的涨落引起的输运性质变化，在实验上通常进行Ⅰ－Ⅴ曲线和磁通运动噪声测量。Ⅰ－Ⅴ特性反映磁通运动对外部电场的整体响应，而用超导量子干涉仪(SQUID)测量局域区域内的磁通噪声可反映该区域涡旋密度的涨落。最近，Festin等对高温超导YBa<,2>Cu<,3>O<,7>(YBCO)薄膜进行了磁通噪声谱密度Sφ(ω))测量，发现存在一个与温度有关的特征频率ω<,0>(T)。在频率大于特征频率的高频区，S<,φ>(ω)与频率有ω<'-x>关系(其中x=1.5，1.75)。在频率小于特征频率的低频区，S<,φ>(ω)与频率无关。在接近电阻相变温度处，特征频率ω<,0>(T)表现出随温度升高突然大幅度的增大。Rogers等实验研究了超薄Bi-2212在没有磁场情况下的S<,φ>(ω)变化，发现在ω≥ω<,c>时S<,φ>(ω)与频率有ω<'-1.5>关系，这里的特征频率ω<,c>随温度的增加而明显增加。Candia等与Shaw等实验研究了人造二维超导三角和平方阵列在超导相变温度附近的噪声频谱。他们发现在无磁场作用下超导相变是由热激发引起的涡旋与反涡旋对解除束缚而形成的KTB型相变。当温度高于相变温度，S<,φ>(ω)在特征频率以下是白噪声，在特征频率以上与1/ω成正比。 本文采用二维约瑟夫森结阵列(2D JJAs)中的电阻分流结(RSJ)模型，采用数值模拟方法，研究20 JJAs中的涡旋在热激发，及电流驱动情况下引起的涡旋运动及相变性质。计算了热激发以及电流驱动情况下JJAs中产生的涡旋度(Ne)，涡旋密度涨落(δN)<'2>，涡旋运动噪声频谱S<,v>(ω)。得到的主要的结论如下： (1)由Ne与(δN)<'2>的突变表明超导阵列中确实存在着热激发的KTB型相变。涡旋相变温度T<,KTB>不因有无外加电流而改变。 (2)温度在T<,KTB>以上和T<,KTB>以下的S<,v>(ω)图象，以及噪声强度随温度的变化在KTB型相变温度以上和以下都表现了完全不同的规律，因此实验上可以通过测量S<,v>(ω)图象随温度的变化求出涡旋运动的KTB型相变温度T<,KTB>。 (3)T<,KTB>以上的频谱图象中存在一个分频谱为两部分的特征频率ω<,0>(T)。低频ω<ω<,0>(T)时，S<,v>(ω)表现了自由涡旋运动的特征，是白噪声。高频ω>ω<,0>(T)时，表现为涡旋对的频谱特征，即随频率的变化关系为指数下降S<,v>(ω)∝ω<'-1.5>。 (4)涡旋运动噪声频谱S<,v>(ω)随电流的变化有类似的关系。其特征频率‰(T，f，I)不但是温度的函数，也是磁场和驱动电流的函数。我们得到的计算结果与以上实验报导相一致。并能很好地解释超导阵列和薄膜中的涡旋运动及在相变点附近的涨落和耗散性质。

目录

文摘

英文文摘

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绪论

第一章约瑟夫森效应基础知识

1.1引言

1.2约瑟夫森效应和约瑟夫森结

1.2.1直流约瑟夫森效应

1.2.2交流约瑟夫森效应

1.2.3约瑟夫森磁效应

1.3本章结论

1.4参考文献

第二章RSJ理论模型和数值计算

2.1约瑟夫森结面的电路模型

2.2 RSJ模型及运动方程

2.3参考文献

第三章二维约瑟夫森结阵列中热力学相变和噪声研究

3.1引言

3.2结果和讨论

3.3本章结论

3.4参考文献

致谢

硕士期间发表论文