?
Квантовый размерный эффект в сверхпроводниках
В середине прошлого века было продемонстрировано, что с уменьшением размеров
сверхпроводящих структур, например, толщины тонкой плёнки, её критическая температура Тс
сдвигается на некоторую величину. В алюминии, олове и индии она увеличивается, а в ртути, ниобии
и свинце она уменьшается. Тем не менее, общепринятой теории, объясняющей данный эффект до
настоящего времени нет. В 70-х годах, во время самого большого объёма исследований по данной
тематике, В.Л. Гинзбург сделал предположение, что температура перехода достаточно чистой,
моноатомной плёнки сверхпроводника будет точно такой же, как и в объёмном теле. Однако, данное
предположение так и не было проверено, и вопрос о природе этого эффекта всё ещё остаётся
открытым. Для исследования был выбран алюминий, в связи с тем, что зависимость Tс пленки от ее
толщины весьма предсказуема, и увеличивается с уменьшением размеров. Несмотря на некоторое
количество работ по изучению этой зависимости в алюминии, не всегда удаётся точно установить
соответствие с теорией. Это связано с тем, что характеристики варьируются от образца к образцу,
изготовленных даже в одной партии. В нашем случае были изготовлены поликристаллические
плёнки, размеры кристаллитов в которых сопоставимы с толщиной плёнки и эпитаксиальные
образцы с атомарно гладкой поверхностью. Плёнки были изготовлены методами электронно-
лучевого напыления и молекулярно-лучевой эпитаксии на различные подложки. В рамках модели
БКШ критическая температура сверхпроводящего перехода экспоненциально зависит от плотности
электронных состояний на уровне Ферми N(EF) и константы электрон-фононного взаимодействия V:
TC ~ exp(-1/N(EF))*V. В работе показано, что за счет КРЭ в тонких сверхпроводящих пленках оба
параметра N(EF) и V немонотонным образом меняются с толщиной образца. Такое поведение
является следствием теории резонанса формы. Предположительно, эффект, оказываемый
разупорядоченностью кристаллитов, а также поверхностью или подложкой, не имеет доминирующей
роли конкретно в нашем случае, так как плёнки алюминия имеют высокое качество, а их толщины
выходят далеко за пределы сверхтонких объектов, в которых поверхностные явления начинают
играть решающую роль. В результате проделанного исследования была получены
экспериментальные и теоретическая зависимость TC от толщины плёнок, изготовленных разными
способами на разных подложках.