由多能隙超导体构成的约瑟夫森结的性质的理论和实验研究

我们将集中精力研究多能隙超导体的约瑟夫森效应。这包括多能隙超导体与单能隙超导体构成的约瑟夫森结的性质、多能隙超导体与多能隙超导体构成的约瑟夫森结的性质、以及多能隙超导体瑟夫森结和单能隙超导体约瑟夫森结性质的对比。.在理论上，我们将分析多能隙超导体约瑟夫森结中可能显示的序参量间相位差的大小，分析多能隙超导体约瑟夫森结的特殊夏皮罗台阶结构，分析多能隙超导体约瑟夫森结中特殊的宏观量子隧穿现象。.在实验上，我们将以二硼化镁薄膜材料为基础，研制多能隙超导体与单能隙超导体构成的约瑟夫森结和多能隙超导体与多能隙超导体构成的约瑟夫森结。测量多能隙超导体约瑟夫森电流对温度的依靠关系，测量多能隙超导体约瑟夫森结的夏皮罗台阶的细节，以及实验对比多能隙超导体与单能隙超导体、多能隙超导体与多能隙超导体、还有全单能隙超导体构成的约瑟夫森结性质的异同。

超导电子学研究在超导电性研究中占有十分重要的地位，其中基于约瑟夫森效应的主动超导器件一直是研究的核心内容，多能隙超导体的约瑟夫森效应最近这几年也成为了新的课题。同时在实际的多能隙超导材料方面，MgB2的双能带特性所引发的特殊超导电性愈发令人关注。本工作将两者结合，探索了双能带超导体中的约瑟夫森效应，特别是双能带超导体与铁磁体多层结构中的特殊超导电性。. 在理论方面，我们主要利用基于格林函数的多能带超导Gor’kov理论和脏极限Usadel方程，研究了脏极限下双能带超导/铁磁多层结构中的近邻效应和约瑟夫森效应。我们分析发现，在传统的超导体与金属近邻效应的方程中，引入了均匀铁磁自旋交换场以及双能带的带间散射后，通过近邻效应进入铁磁体的两带的超导序参量发生混合。这种混合受到强自旋交换场的压制，同时会被两带的扩散系数比例所调制。铁磁体中超导序参量的混合也会通过反向近邻效应影响超导体自身，从而可以通过外部铁磁体的磁化等性质变化对超导薄层中的两带混合进行调节。在引入非均匀铁磁交换场后，会使得铁磁体中出现长程的三重态超导部分。双能带超导体向铁磁体中穿透的长程三重态会随空间发生振荡，有别于单带超导体中的单调递减特性。这种振荡的长程三重态会在远大于铁磁相干长度的约瑟夫森结中导致0-π相变。. 实验方面，我们利用HPCVD法在多种衬底上制备了质量完好的MgB2薄膜，而后利用电子束蒸发和PLD方法，在MgB2薄膜表面获得Fe薄膜和具有特定结构的多层铁磁层，并利用磁性测量装置得到相应的磁性数据。在铁磁层之上再次利用HPCVD制备MgB2薄膜，并利用PPMS等设备研究了不同薄膜样品的电学性质，主要包括R-T转变曲线、I-V曲线、临界电流-温度曲线、临界电流-磁场曲线等；并利用XRD、AFM等得到晶格结构、表面形貌等信息。研究表明，对于中间层为单质铁的情况，上下层间的耦合被交换场破坏而呈现短程穿透，层间电阻未发生超导转变。但对于铁磁性中间层具有RKKY反铁磁关联的样品，由于长程关联的出现，其上下层间输运不会受到压制，在超导转变温度以下电阻为零。实验发现不同衬底上样品输运性质的差异。斜切衬底YSZ（110）上样品表现出约瑟夫森结阵列的特性，临界电流随温度、磁场变化证明样品满足约瑟夫森小结的特征。而在6H-SiC衬底上的c轴方向同样尺寸的样品呈现了完全的大结性质。