Научная тема: «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВЫХ СОСТОЯНИЙ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ»
Специальность: 01.04.09
Год: 2012
Отрасль науки: Физико-математические науки
Основные научные положения, сформулированные автором на основании проведенных исследований:
  1. Разработана технология изготовления гибридных монокристаллических микрострукур при помощи комбинирования планаризации и взрывной электронной литографии. Разработана и запатентована технология уменьшения размеров микро- и наноструктур при помощи физического травления в низкоэнергетическом направленном ионном пучке инертного газа.
  2. Обнаружено дальнодействующее взаимодействие центров проскальзывания фазы в длинных сверхпроводящих микропроводах из олова. В коротких гибридных монокристаллических сверхпроводящих микрострукурах обнаружена ступенчатая зависимость сопротивления от температуры, проявляющаяся при произвольных значениях измерительного тока, и отсутствие нулевого сопротивления при температурах существенно ниже критической.
  3. Показано, что вся совокупность экспериментальных результатов по исследованию пространственных, энергетических и температурных характеристик релаксации зарядового и энергетического дисбаланса в гибридных микроструктурах из алюминия и меди при сверхнизких температурах порядка 20 мК может быть описана феноменологической моделью, предполагающей справедливость равновесного выражения для туннельного тока контакта нормальный металл - изолятор - сверхпроводник с использованием трех подгоночных параметров, зависящих от тока инжекции квазичастиц и расстояния до инжектора: уширение плотности состояний, энергетическая щель сверхпроводника и эффективный химический потенциал Куперовских пар. Показано, что пространственная релаксации неравновесных квазичастичных возбуждений в алюминии может быть описана экспоненциальной зависимостью с характерными масштабами 5±1.5 мкм и 40±20 мкм для зарядового и энергетического дисбаланса, соответственно.
  4. Обнаружено, что нелокальные магнетоосцилляции сопротивления в алюминиевых микроструктурах качественно могут быть описаны упрощенной моделью нелокального взаимодействия с корреляционной длиной, совпадающей с длиной когерентности Гинзбурга-Ландау; в то время как нелокальные магнетоосцилляции критической температуры описываются корреляционной длиной, которая уменьшается с ростом магнитного поля. Показано, что нелокальные магнетоосцилляции критического тока качественно описываются моделью, принимающей во внимание нелокальные магнетоосцилляции критической температуры.
  5. Разработана модель резистивной аномалии в алюминиевых наноструктурах, дающая удовлетворительное количественное согласие с экспериментом.
  6. Показано, что в алюминиевых и титановых квазиодномерных наноструктурах, изготовленных методом взрывной электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления, присутствие неизбежных неоднородностей не позволяет проведение количественного сравнения экспериментальной формы сверхпроводящего перехода с моделью термических флуктуаций параметра порядка. Обнаружено, что в сверхтонких алюминиевых и титановых квазиодномерных наноструктурах квантовые флуктуации заметно размывают форму сверхпроводящего перехода, приводя к конечному сопротивлению при температурах существенно ниже критической. Показано, что форма сверхпроводящего перехода сверхтонких алюминиевых и титановых квазиодномерных наноструктур хорошо описывается микроскопической моделью квантовых флуктуаций.
  7. Показано, что с уменьшением эффективного диаметра квазиодномерных титановых наноструктур и увеличении импеданса подводящих контактов вклад квантовых флуктуаций проявляется как возникновение на вольт-амперной характеристике Кулоновской блокады, амплитуда которой зависит от электрического потенциала близкорасположенного электрода (затвора). Впервые показано, что при облучении системы внешним высокочастотным излучением на вольт-амперной характеристике появляются специфические особенности - Блоховские ступеньки. Показано, что в квазиодномерных сверхпроводящих каналах в режиме квантовых флуктуаций амплитуда Блоховских ступенек, их положение в токовой шкале и зависимость от амплитуды высокочастотного сигнала находятся в удовлетворительном согласии с существующими теоретическими моделями, построенными для Джозефсоновских контактов, тем самым подтверждая дуальность этих двух систем.
Список опубликованных работ
A1. K. Yu. Arutyunov, N. P. Danilova, A. A. Nikolaeva. Galvanomagnetic properties of quasi-one-dimensional superconductors // J. Appl. Phys. 76, 7139--7140 (1994).

A2. K. Yu. Arutyunov, N. P. Danilova, A. A. Nikolaeva. Nonequilibrium galvanomagnetic properties of quasi-one-dimensional superconductors // Physica C 235-240, 1967--1968 (1994).

A3. K. Yu. Arutyunov. Manifestation of Qusiparticle Branch Imbalance in Resistive Measurements of Mesoscopic Superconductors // Phys. Rev. B 53 12304 --12310 (1996)

. A4. K. Yu. Arutyunov, V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, A. B. Pavolotski and L. Rinderer. Resistive State Measurements of Quasi-0-Dimensional Superconducting Structures // Czech. J. of Physics 46, 2309 (1996).

A5. K. Yu. Arutyunov, S. V. Lotkhov, A. B. Pavolotski, D. A. Presnov and L. Rinderer. On the reproducibility of Resistive State Anomalies in Superconducting Nanostructures // Helv. Phys. Acta 69(2), 31 (1996).

A6. K. Yu. Arutyunov, V. A. Krupenin, S. V. Lotkhov, A. B. Pavolotski and L. Rinderer. Resistive State Anomalies of Superconducting Nanostructures // Superlattices and Microstructures 21A, 27 (1997).

A7. K. Yu. Arutyunov, S. V. Lotkhov, A. B. Pavolotski, D. A. Presnov and L. Rinderer. Resistive-state Anomaly in Superconducting Nanostructures // Phys.Rev. B 59, 6487-- 6498 (1999).

A8. J. P. Pekola, A. J. Manninen, M. M. Leivo, K. Yu. Arutyunov, J. K. Suoknuuti, T. I. Suppula, and B. Collaudin. Microrefrigeration by quasiparticle tunneling in NIS and SIS junctions // Physica B, 280, 485--490 (2000).

A9. K. Yu. Arutyunov, Sh. Farhangfar, D. Presnov, and J. P. Pekola. Unconventional Behavior of Small Superconductors in a Nonequilibrium State in the Proximity of a Normal Metal // Physica B 284-288, 1848--1849 (2000).

A10. K. Yu. Arutyunov, T. Suppula, J. K. Suoknuuti and J. P. Pekola. Influence of magnetic field on cooling by normal-insulator-superconductor junctions // J. Appl. Phys. 88, 326--330 (2000).

A11. K. Yu. Arutyunov, J. P. Pekola, A. B. Pavolotski, D. A. Presnov. Nonlocality in superconducting microstructures, in “Macroscopic Quantum Coherence and Quantum Computing“, edited by D. V. Averin, B. Ruggiero and P. Silvestrini, Kluvert Academic Plenum Publishers, 155-163 (2001).

A12. K. Yu. Arutyunov, T. V. Ryynanen, J. P. Pekola, and A. B. Pavolotski. Superconducting transition of single-crystal tin microstructures // Phys. Rev. B 63, 092506-1 -- 092506-4 (2001).

A13. K. Yu. Arutyunov, J. P. Pekola, A. B. Pavolotski and D. A. Presnov. Nonlocality in superconducting microstructures // Phys. Rev. B 64, 064519-1 -- 064519-6 (2001).

A14. K. Yu. Arutyunov, T. T. Hongisto, and J. P. Pekola. Solid state analogue of a double slit interferometer, in “Superconducting Nano-Electronics devices” edited by J. Pekola, B. Ruggiero and P. Silvestrini, Kluvert Academic Plenum Publishers, 43-51 (2002).

A15. K. Yu. Arutyunov, T. T. Hongisto, and J. P. Pekola. Interference of nonequilibrium quasiparticles in a superconductor // Physica B 329-333, 1429-1430 (2003).

A16. W. X. Huang, P. Dendooven, K. Gloos, N. Takahashi, K. Yu. Arutyunov, J. P. Pekola, and J. Aystö. Transport and extraction of radioactive ions stopped in superfluid helium // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 204 , 592--596 (2003).

A17. K. Yu. Arutyunov, T. T. Hongisto. Normal metal – Insulator – Superconductor Interferometer // Phys. Rev. B 70, 064514-1 -- 064514-6 (2004).

A18. M. Savolainen, V. Touboltsev, P. Koppinen, K.-P. Riikonen and K. Yu. Arutyunov. Ion beam sputtering method for progressive reduction of nanostructures dimensions // Appl. Phys. A 79, 1769--1773 (2004).

A19. K. Yu. Arutyunov, T. T. Hongisto, and J. P. Pekola. Solid state analogue of an optical interferometer, in “Quantum Computing and Quantum Bits in Mesoscopic systems” edited by A. Leggett, B. Ruggiero and P. Silvestrini, Kluvert Academic Plenum Publishers, 247-253 (2004).

A20. M. Zgirski, K.-P. Riikonen, V. Touboltsev, and K. Arutyunov. Size Dependent Breakdown of Superconductivity in Ultranarrow Nanowires // Nano Letters 5, 1029--1033 (2005).

A21. P. Jalkanen, V. Touboltsev, H. Koivisto, P. Suominen, T. Suppula, K. Yu. Arutyunov, and J. Räisänen. Superconductivity suppression in Fe-implanted thin Al films // J. Appl. Phys. 98, 016105-1 -- 016105-3 (2005).

A22. D. V. Vodolazov, F. M. Peters, T. T. Hongisto, and K. Yu. Arutyunov. Microscopic analysis of multiple flux transitions in mesoscopic superconducting loops // Europhys. Lett. 75(2), 315--320 (2006).

A23. A. A. Shanenko, M. D. Croitoru, M. Zgirski, F. M. Peters and K. Yu. Arutyunov. Size dependent enhancement of superconductivity in nanowires // Phys. Rev. B 74, 052502-1 -- 052502-2 (2006).

A24. M. Zgirski, K.-P. Riikonen, T. Holmqvist, M. Savolainen, V. Touboltsev, and K. Yu. Arutyunov. Phase slip phenomena in ultra-thin superconducting wires, in “Quantum Computation in Solid State Systems” edited by B. Ruggiero, P. Delsing, C. Granata, Y. Pashkin, P.Silvestrini, 70-75, Springer (2006).

A25. K. Yu. Arutyunov, V. Tuboltsev and M. Kaarre. Ion beam etching processing, PCT patent FI-2007/050440, WO 2008/017733 A1 (2006).

A26. P. Jalkanen, V. Tuboltsev, A. Virtanen, K. Yu. Arutyunov, J. Räisänen, O. Lebedev and G. Van Tendeloo. Critical temperature modification of low dimensional superconductors by spin doping // Sol. St. Comm. 142, 407—411 (2007).

A27. M. Zgirski and K. Yu. Arutyunov. Experimental limits of the observation of thermally activated phase-slip mechanism in superconducting nanowires // Phys. Rev. B 75, 172509-1 -- 172509-4 (2007).

A28. M. Zgirski and K. Yu. Arutyunov. Resistive state of quasi-one-dimensional superconductors: fluctuations vs. sample inhomogeneity // Physica E 40, 160--162 (2007).

A29. K.Yu. Arutyunov, T. T. Hongisto, D. Y. Vodolazov. Tunneling spectroscopy of persistent currents in superconducting microrings // Physica E 40, 184—186 (2007).

A30. K. Yu. Arutyunov. Fabrication of quasi-one-dimensional superconducting micro- and nanostructures // Recent Patents in NanoTechnology 1, 129-135 (2007).

A31. K. Yu. Arutyunov, M. Zgirski, K.-P. Riikonen, and P. Jalkanen. Quantum Limitations of Electron Transport in Ultra-Narrow Nanowires // Int. Rev. Phys. 1(1) 28--30 (2007).

A32. K. Yu. Arutyunov. Negative magnetoresistance of ultra-narrow superconducting nanowires in the resistive state // Physica C 468(4), 272-75 (2008).

A33. T. T. Hongisto and K. Yu. Arutyunov. Persistent Currents in Superconducting Nanorings // J. Phys. 97, 012114-1 -- 012114-8 (2008).

A34. M. Zgirski, K.-P. Riikonen, and K. Yu. Arutyunov. Current-Voltage Dependencies in Ultra-Narrow Superconducting Nanowires in the Regime of Quantum Fluctuations // J. Phys. 97, 012113-1 -- 012113-5 (2008).

A35. T. T. Hongisto and K. Yu. Arutyunov. Tunneling spectroscopy of giant vorticity states in superconducting micro- and nanorings at ultra-low temperatures // Physica C 468, 733--736 (2008).

A36. M. Zgirski, K-P. Riikonen, V. Tuboltsev, P. Jalkanen, T. T. Hongisto and K. Yu. Arutyunov. Ion beam shaping and downsizing of nanostructures // Nanotechnology 19 055301-1 -- 055301-6 (2008).

A37. M. Zgirski, K.-P. Riikonen, V. Touboltsev and K. Yu. Arutyunov. Quantum fluctuations in ultranarrow superconducting nanowires // Phys. Rev. B 77, 054508-1 -- 054508-6 (2008).

A38. K. Yu. Arutyunov, D. S. Golubev, and A. D. Zaikin. Superconductivity in one dimension // Physics Reports 464, 1-70 (2008).

A39. K. Yu. Arutyunov. Experimental study of the fluctuation-governed resistive state in quasi-one-dimensional superconductors, in “Nanoscience Frontiers -Fundamentals of Superconducting Electronics, Springer Serie: Nanoscience and Technology”, 45-66 (2011).

A40. K. Yu. Arutyunov. Ion beam etching method and ion beam etching apparatus, patent FI-122010 (2011).

A41. K. Yu. Arutyunov, H.-P. Auraneva, and A. S. Vasenko. Spatially resolved measurement of nonequilibrium quasiparticle relaxation in superconducting aluminium // Phys. Rev. B 83, 104509--104513 (2011).

A42. J. S. Lehtinen, T. Sajavara, K. Yu. Arutyunov, M. Yu. Presnjakov, and A. S. Vasiliev. Evidence of quantum phase slip effect in titanium nanowires // Phys. Rev. B 85, 135901--135907 (2012).

A43. O. V. Astafiev, L. B. Ioffe, S. Kafanov, Yu. A. Pashkin, K. Yu. Arutyunov, D.Shahar, O. Cohen, and J. S. Tsai. Coherent quantum phase slip // Nature 484(7392), 176--181 (2012).

A44. K. Yu. Arutyunov, T. T. Hongisto, J. S. Lehtinen, L. I. Leino, and A. S. Vasiliev. Quantum phase slip phenomenon in ultra-narrow superconducting nanorings // Nature: Sci. Rep. 2(293), 1--7 (2012)