Восстановление функции электрон-фононного взаимодействия в сверхпроводящих баллистических контактах из тантала

Abstract

Проанализированы экспериментально наблюдаемые нелинейности вольт-амперных характеристик (ВАХ) точечных гомо- и гетероконтактов на основе тантала, как в нормальном, так и в сверхпроводящем состоянии, связанные с электрон-фононным взаимодействием (ЭФВ). Принято во внимание то, что дополнительная нелинейность ВАХ, возникающая при переходе контактов в сверхпроводящее состояние (сверхпроводящая добавка к спектру), формируется не только вблизи сужения в области порядка диаметра контакта (как это имеет место в нормальном состоянии и предсказывается для сверхпроводящего состояния теорией), но и в существенно большей области размером порядка длины когерентности. При этом значительную роль в формировании такой сверхпроводящей добавки начинают играть неравновесные фононы с малыми групповыми скоростями, что объясняет экспериментально наблюдаемое обострение фононных пиков на спектрах ЭФВ (вторых производных ВАХ) при переходе контактов в сверхпроводящее состояние, в отличие от теоретически ожидаемого уширения (размытия) пиков, а также увеличение сверхпроводящего вклада в микроконтактный спектр в области малых и средних энергий. В высокоэнергетической части спектр ЭФВ при переходе в сверхпроводящее состояние изменяется значительно меньше, что объясняется подавлением избыточного тока контактов неравновесными квазичастицами. Предложена доскональная процедура восстановления спектральной функции ЭФВ из добавки к микроконтактному спектру (второй производной ВАХ), которая возникает при переходе одного или обоих контактирующих металлов в сверхпроводящее состояние.

Проаналізовано спостережені експериментально нелінійності вольт-амперних характеристик (ВАХ) точкових гомота гетероконтактів на основі танталу як в нормальному, так і в надпровідному стану, пов’язані з електрон-фононною взаємодією (ЕФВ). Взято до уваги, що додаткова нелінійність ВАХ, яка виникає при переході контактів в надпровідний стан (надпровідна добавка до спектру), формується не лише поблизу звуження в межах діаметру контакту (як це має місце в нормальному стані та передбачається теорією для надпровідного стану), але і в істотно більшій області розмірів порядку довжини когерентності. При цьому значну роль у формуванні такої надпровідної добавки відіграють нерівноважні фонони з малими груповими швидкостями, що пояснює спостережене експериментально загострення фононних піків на спектрах ЕФВ (других похідних ВАХ) при переході контактів в надпровідний стан, на відміну від теоретично очікуваного розширення (розмиття) піків, а також збільшення надпровідного вкладу в мікроконтактний спектр в області малих і середніх енергій. У високоенергетичної частини спектр ЕФВ при переході в надпровідний стан змінюється значно менше, що пояснюється подавленням нерівноважними квазічастинками надлишкового струму в контакті. Запропоновано досконалу процедуру відновлення спектральної функції ЕФВ із добавки до мікроконтактного спектру (другої похідною ВАХ), яка виникає при переході одного або обох контактуючих металів в надпровідний стан.

The experimentally observed nonlinearities of the currentvoltage curves (IVC) of point tantalum-based homo- and heterocontacts in both the normal and superconducting states associated with the electron-phonon interaction (EPI) are analyzed. It is taken into account that the additional nonlinearity of the IVC that occurs when the contacts transit into the superconducting state (superconducting additive to the spectrum) is formed not only near the narrowing in the region of the order of the contact diameter (as is the case in the normal state and predicted for the superconducting state by theory), but also in a substantially larger region with a size about coherence length. At the same time, nonequilibrium phonons with small group velocities begin to play a significant role in the formation of such a superconducting additive, which explains the experimentally observed sharpening of phonon peaks in the EPI spectra (second derivatives of the current-voltage characteristics) when the contacts go to the superconducting state, unlike the theoretically expected broadening (blurring) of peaks and an increase in the superconducting contribution to the point contact spectrum in the region of low and medium energies. In the high-energy part, the EPI spectrum upon transition to the superconducting state changes much less, which is explained by the suppression of the excess contact current by non-equilibrium quasiparticles. A thorough procedure has been proposed for the restoration of the EPI spectral function from the additive to the point contact spectrum (the second derivative of the IVC), which occurs when one or both of the contacting metals transits into the superconducting state.