CC BY
0
2.6.6 НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫ
(ТЕХНИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ)
NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALS
DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-3-161-176 УДК: 666.3.017:620.18 ГРНТИ: 47.09.48 EDN: QBGGDW
Импульсный туннельный эффект: новые перспективы управления сверхпроводящими устройствами
Р.Х. Рахимов ©
Институт материаловедения Академии наук Республики Узбекистан, г. Ташкент, Республика Узбекистан
E-mail: [email protected]
Аннотация. Статья посвящена исследованию импульсного туннельного эффекта и его новым перспективам в управлении сверхпроводящими устройствами. Рассматривается квантовая природа электрического сопротивления, включая квантовый эффект Холла, квантовое сопротивление Клитцинга и эффект Джозефсона. Особое внимание уделено роли квантовых размерных эффектов в формировании электрического сопротивления наноструктур и молекулярных проводников. Статья освещает новые перспективы использования импульсного туннельного эффекта для управления характеристиками сверхпроводящих устройств.
Ключевые слова: Импульсный туннельный эффект, сверхпроводящие устройства, квантовый эффект Холла, квантовое сопротивление Клитцинга, эффект Джозефсона, квантовые размерные эффекты, наноструктуры, молекулярные проводники
f -\
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ: Рахимов Р.Х. Импульсный туннельный эффект: новые перспективы управления сверхпроводящими устройствами // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 3. С. 161-176. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-3-161-176. EDN: QBGGDW
V J
КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
Квантовая природа электрического сопротивления может быть описана следующим образом.
1. Электрическое сопротивление на квантовом уровне обусловлено рассеянием электронов на различных дефектах и неоднородностях в проводнике:
• рассеяние на фононах (колебаниях кристаллической решетки);
• рассеяние на примесях и дефектах кристаллической структуры;
• рассеяние на границах зерен и поверхностях.
2. Квантование электронных состояний в проводнике приводит к дискретности значений электрического сопротивления. Это проявляется в квантовом эффекте Холла и квантовом сопротивлении Клитцинга:
• квантовый эффект Холла - квантование хол-ловского сопротивления в двумерных электронных системах при низких температурах и сильных магнитных полях;
• квантовое сопротивление Клитцинга - фундаментальное значение сопротивления, равное Ые2 ~ 25,812 кОм, наблюдаемое в квантовых точечных контактах.
3. Туннельное сопротивление на границах сверхпроводник-нормальный металл (эффект Джо-зефсона) также имеет квантовую природу, определяемую законами квантовой механики.
4. В наноструктурах и молекулярных проводниках квантовые размерные эффекты играют ключевую роль в формировании электрического сопротивления.
Таким образом, квантовая природа электрического сопротивления проявляется в дискретности электронных состояний, туннельных процессах и размерных эффектах, которые определяют транспортные свойства материалов на микро- и нано-масштабах.
Квантовые эффекты оказывают значительное влияние на проводимость в наноструктурах. Вот основные механизмы, посредством которых квантовая природа материалов проявляется в электронном транспорте на нанометровых масштабах.
1. Квантование энергетических состояний. В наноструктурах размеры сопоставимы с длиной волны электронов, что приводит к квантованию энергетических состояний. Это изменяет плотность электронных состояний и влияет на транспортные свойства, такие как электрическая проводимость.
2. Баллистический транспорт. В очень малых структурах длина свободного пробега электронов может превышать размеры устройства. Это приводит к баллистическому режиму транспорта, когда электроны движутся без рассеяния, что значительно увеличивает проводимость.
3. Туннельные эффекты. Квантовое туннелирова-ние электронов через потенциальные барьеры становится возможным в нанометровых структурах. Этот эффект используется, например, в туннельных транзисторах, где ток контролируется туннельным барьером.
4. Кулоновская блокада. В очень малых структурах (квантовые точки, одноэлектронные транзисторы) добавление или удаление единичного электрона может значительно изменять электрические свойства. Это проявление дискретности электрического заряда на нанометровых масштабах.
5. Размерные эффекты. Уменьшение размеров структур вплоть до нанометрового масштаба приводит к доминированию размерных квантовых эффектов. Это влияет на плотность электронных состояний, подвижность носителей заряда и другие транспортные характеристики.
Таким образом, квантовые эффекты в наноструктурах коренным образом изменяют их электрические свойства и открывают возможности для создания новых наноэлектронных устройств.
Экситон с современных позиций квантовой механики можно охарактеризовать следующим образом.
1. Квазичастица. Экситон представляет собой квазичастицу, состоящую из связанной электрон-дырочной пары, которая возникает в результате поглощения фотона в полупроводнике или диэлектрике.
2. Электрон-дырочная пара. Поглощение фотона приводит к возбуждению электрона из валентной зоны в зону проводимости, оставляя за собой дырку в валентной зоне. Электрон и дырка связаны кулоновским притяжением, образуя экситон.
3. Связанное состояние. Экситон является связанным состоянием электрона и дырки, аналогичным водородоподобному атому, где электрон и протон связаны кулоновским взаимодействием.
4. Энергетические уровни. Экситон имеет дискретные энергетические уровни, подобно атомарным уровням, определяемые его размером и массами составляющих его частиц.
5. Движение экситона. Экситон может перемещаться по кристаллической решетке материала, сохраняя свое связанное состояние, аналогично движению нейтральных частиц.
6. Влияние на оптические свойства. Возникновение экситонов влияет на оптические свойства материала, проявляясь в виде экситонных пиков поглощения или излучения.
7. Применение. Экситоны играют важную роль в процессах поглощения и излучения света в полупроводниковых и диэлектрических материалах, используемых в оптоэлектронике и фотонике.
Таким образом, с точки зрения современной квантовой механики, экситон представляет собой связанное состояние электрон-дырочной пары, обладающее квазичастичными свойствами и оказывающее влияние на оптические характеристики материалов.
Экситон, с точки зрения современной квантовой механики, действительно является скорее теоретической моделью для описания определенных процессов, чем реально существующей физической частицей.
Основные аргументы в пользу того, что экситон является моделью, а не реальной частицей.
1. Дырки не являются физическими частицами. Как мы отметили, дырки не перемещаются как реальные частицы, а представляют собой отсутствие электрона в валентной зоне, которое создает видимость его движения.
2. Электрон-дырочная пара. Экситон описывается как связанная электрон-дырочная пара, но на самом деле это просто описание перераспределения электронов при возбуждении, а не реальная частица.
3. Квазичастица. Экситон, как и другие квазичастицы (фононы, поляроны и т.д.), является концептуальной моделью для удобного описания коллективных возбуждений, но не физической частицей.
4. Энергетические уровни. Хотя экситон имеет дискретные энергетические уровни, как атом, это скорее следствие квантования энергии в кристаллической решетке, а не свойство реальной частицы.
Таким образом, экситон является полезной теоретической моделью для описания оптических и электронных процессов в полупроводниках и диэлектриках, но не физической реальностью в буквальном смысле. Перемещение дырок - это просто удобная концепция для объяснения наблюдаемых явлений.
В висмутовых сверхпроводниках экситоны могут играть важную роль в механизме сверхпроводимости, хотя их точная роль до сих пор активно изучается и является предметом научных дискуссий.
Вот как можно описать работу экситонов в этом контексте.
1. Генерация экситонов. При охлаждении висмутовых соединений до сверхпроводящих температур, возбуждение электронов в проводящих зонах приводит к образованию связанных электрон-дырочных пар, то есть экситонов.
2. Конденсация экситонов. Существует гипотеза, что эти экситоны могут конденсироваться в когерентное квантовое состояние, аналогично конденсату Бозе-Эйнштейна. Это состояние экситонной конденсации может способствовать возникновению сверхпроводимости.
3. Роль в спаривании электронов. Взаимодействие между экситонами и электронами может приводить к эффективному притяжению между электронами, что облегчает образование куперов-ских пар - основы сверхпроводящего состояния.
4. Влияние на энергетический спектр. Присутствие экситонов может модифицировать энергетический спектр электронов вблизи уровня Ферми, создавая условия, благоприятные для сверхпроводимости.
5. Связь с другими коллективными возбуждениями. Экситоны могут взаимодействовать с другими квазичастицами, такими как фононы, и эти сложные взаимодействия могут также играть роль в механизме сверхпроводимости.
Таким образом, хотя точная роль экситонов в сверхпроводимости висмутовых соединений до конца не ясна, они рассматриваются как важный элемент, который может вносить вклад в формирование и стабилизацию сверхпроводящего состояния в этих материалах. Дальнейшие исследования помогут прояснить их конкретный механизм действия.
Взаимодействие экситонов и фононов играет важную роль в механизме сверхпроводимости висмутовых соединений.
1. Взаимодействие экситонов и фононов. Экс-итоны могут взаимодействовать с колебаниями кристаллической решетки, то есть с фононами. Это взаимодействие может приводить к рас-
сеянию экситонов фононами и к изменению энергетического спектра экситонов. Такое взаимодействие экситонов и фононов может способствовать формированию куперовских пар -основы сверхпроводящего состояния.
2. Фононы с оптимальной энергией. Для достижения максимальной температуры сверхпроводящего перехода в висмутовых соединениях, наиболее эффективны фононы с энергиями, соответствующими характерным энергиям колебаний кристаллической решетки. В висмутовых сверхпроводниках такие характерные энергии фононов лежат в диапазоне от ~10 до ~30 мэВ, что соответствует длинам волн де Бройля фоно-нов примерно от 0,2 до 0,6 нанометров. Именно фононы в этом энергетическом диапазоне могут наиболее эффективно взаимодействовать с экситонами и способствовать образованию куперовских пар, обеспечивая тем самым максимальную температуру сверхпроводящего перехода.
Таким образом, взаимодействие экситонов с фоно-нами, имеющими энергии порядка 10-30 мэВ (длины волн де Бройля около 0,2-0,6 нм), является важным фактором, влияющим на механизм высокотемпературной сверхпроводимости в висмутовых соединениях. Этот тип взаимодействий способствует эффективному образованию куперовских пар и стабилизации сверхпроводящего состояния.
Существует ряд экспериментов, которые подтверждают важную роль экситонов в механизме сверхпроводимости висмутовых соединений.
1. Оптическая спектроскопия. Эксперименты с использованием оптической спектроскопии показывают наличие интенсивных полос поглощения и испускания, связанных с возбуждением экситонов в висмутовых сверхпроводниках. Эти оптические свойства напрямую связаны с сильным электрон-дырочным взаимодействием, приводящим к формированию экситонных состояний.
2. Туннельная спектроскопия. Исследования с помощью туннельной спектроскопии выявляют особенности плотности электронных состояний, характерные для экситонного механизма сверхпроводимости. Наблюдаются пики в плотности состояний, соответствующие энергиям связи экситонов.
3. Измерение теплоемкости. Аномалии в температурной зависимости теплоемкости вблизи температуры перехода в сверхпроводящее состояние указывают на важную роль коллективных возбуждений, таких как экситоны. Эти аномалии в теплоемкости связаны с фазовыми переходами, обусловленными конденсацией экситонов.
4. Анизотропия сверхпроводящих свойств. Экспериментально наблюдается сильная анизотропия
критического поля и критического тока в висмутовых сверхпроводниках. Такая анизотропия согласуется с ожидаемыми свойствами сверхпроводящего конденсата, состоящего из экси-тонных пар.
Совокупность этих экспериментальных данных свидетельствует о том, что экситонные состояния и их взаимодействие с фононами играют ключевую роль в механизме высокотемпературной сверхпроводимости в висмутовых соединениях.
Взаимодействие экситонов с фононами является важным механизмом, который способствует формированию сверхпроводимости в висмутовых соединениях. Рассмотрим более подробно, как происходит это взаимодействие.
1. Генерация экситонов фононами:
• тепловые колебания кристаллической решетки (фононы) могут возбуждать электронные переходы, приводящие к образованию экси-тонов;
• фононы с соответствующей энергией взаимодействуют с электронами и дырками, связывая их в экситонные состояния.
2. Стабилизация экситонов фононами:
• взаимодействие экситонов с фононами способствует их стабилизации, предотвращая распад экситонных пар;
• фононы «одевают» экситоны, образуя квазичастицы, известные как поляроны;
• поляроны более устойчивы к локальным флуктуациям и разрушению, что повышает вероятность их конденсации.
3. Экситон-фононное связывание:
• сильное электрон-фононное взаимодействие в висмутовых соединениях приводит к формированию связанных состояний экситонов и фононов;
• эти связанные экситон-фононные состояния способствуют эффективному переносу заряда и обеспечивают механизм сверхпроводящего спаривания.
4. Конденсация экситонных пар:
• при достаточно низких температурах экситон-ные пары могут конденсироваться в когерентное сверхпроводящее состояние;
• присутствие фононов модифицирует энергетический спектр экситонов и влияет на условия их конденсации.
Таким образом, тесное взаимодействие экситонов с фононами является ключевым моментом в механизме высокотемпературной сверхпроводимости в висмутовых соединениях. Это взаимодействие способствует стабилизации экситонных состояний и создает благоприятные условия для их конденсации в сверхпроводящее состояние.
Фононы играют важную роль в определении критической температуры Гс сверхпроводимости в висму-
товых соединениях. Перечислим основные механизмы, через которые фононы влияют на критическую температуру.
1. Электрон-фононное взаимодействие. Сильное электрон-фононное взаимодействие в висмутовых соединениях усиливает эффективное притяжение между электронами. Это эффективное притяжение, опосредованное фононами, способствует образованию куперовских пар и увеличивает T.
c
2. Изотопический эффект. Замена одних изотопов висмута на другие с различной массой приводит к изменению частоты фононных мод. Изменение частоты фононов влияет на электрон-фо-нонное взаимодействие и, соответственно, на Tc. Наблюдался значительный изотопический эффект в висмутовых сверхпроводниках, что подтверждает важность фононов.
3. Анизотропия фононных мод. Кристаллическая структура висмутовых соединений приводит к сильной анизотропии фононных спектров. Некоторые фононные моды, особенно в определенных направлениях, могут иметь аномально высокие частоты. Эта анизотропия фононов влияет на эффективную плотность состояний, доступных для образования куперовских пар, и, следовательно, на Tc.
4. Эффекты давления. Внешнее давление может изменять частоты фононов и силу электрон-фо-нонного взаимодействия. Это может приводить к сильной зависимости Tc от приложенного давления в висмутовых сверхпроводниках.
В целом, тесная связь между электронной структурой и фононными возбуждениями в висмутовых соединениях делает фононы ключевым фактором, определяющим высокие критические температуры сверхпроводимости в этих материалах.
В висмутовых сверхпроводниках было проведено несколько экспериментальных исследований, которые подтверждают важную роль фононов в определении критической температуры Tc сверхпроводимости.
1. Изотопический эффект. Замена одних изотопов висмута на другие изменяет массу атомов, влияя на частоты фононных мод. Эксперименты показали значительный изотопический сдвиг Tc в висмутовых сверхпроводниках, что свидетельствует о важной роли фононов.
2. Спектроскопия неупругого рассеяния нейтронов. Данный метод позволяет непосредственно измерять фононные спектры в висмутовых соединениях. Эксперименты выявили сильную анизотропию фононных мод, которая согласуется с теоретическими предсказаниями. Аномально высокие частоты некоторых фононных мод объясняют высокие Tc в этих материалах.
3. Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES). ARPES позволяет
картировать электронную структуру и исследовать взаимодействие электронов с фононами. Эксперименты ARPES выявили сильное элек-трон-фононное взаимодействие в висмутовых сверхпроводниках. Наблюдаемые кинки в дисперсии электронных состояний являются прямым свидетельством роли фононов.
4. Измерение теплоемкости. Аномалии в температурной зависимости теплоемкости в окрестности Tc отражают вклад фононов в образование куперовских пар. Эксперименты показывают, что фононный вклад в теплоемкость является доминирующим в висмутовых сверхпроводниках.
Совокупность этих экспериментальных результатов убедительно подтверждает ключевую роль фоно-нов в формировании высоких критических температур сверхпроводимости в висмутовых соединениях.
Фононные механизмы играют ключевую роль в определении критической температуры сверхпроводников. Вот основные способы, которыми фононы влияют на T .
c
1. Электрон-фононное взаимодействие. В традиционных BCS-сверхпроводниках, таких как элементарные металлы, электроны взаимодействуют с колебаниями кристаллической решетки (фононами), что приводит к образованию куперовских пар и сверхпроводимости. Сила электрон-фононного взаимодействия определяет величину энергетической щели в спектре возбуждений и, следовательно, влияет на Tc.
2. Изотопический эффект. Изменение массы ионов (например, за счет замены изотопов) влияет на частоту фононных мод, что в свою очередь сказывается на Tc. Экспериментально наблюдается зависимость Tc от массы изотопов, что является доказательством важности фононных механизмов.
3. Структурные изменения и фазовые переходы. Модификации структуры кристаллической решетки, вызванные допированием или давлением, могут изменять частоты фононных мод и, следовательно, критическую температуру. Фазовые переходы, сопровождающиеся структурными изменениями, также могут влиять на Tc сверхпроводников.
4. Флуктуации фононных мод. В некоторых материалах, особенно в высокотемпературных сверхпроводниках, флуктуации фононных мод играют важную роль и могут вносить вклад в сверхпроводящее спаривание.
Таким образом, детальное понимание роли фононов критически важно для объяснения и предсказания критических температур сверхпроводников. Интенсивные исследования в этой области продолжаются до сих пор.
Есть несколько примеров материалов с аномально высокими критическими температурами сверхпрово-
димости, в которых фононные механизмы играют существенную роль.
1. Купратные сверхпроводники. Например, YBa2Cu3O7 с Тс около 92 К. В этих материалах наблюдаются сильные электрон-фононные взаимодействия, связанные с колебаниями медных-кислородных плоскостей. Роль фононов включает участие в образовании куперовских пар и модификацию электронной структуры.
2. Железосодержащие сверхпроводники. Например, соединения типа LaFeAsO1 _ х Fx с Тс до 55 К. Здесь также важны электрон-фононные взаимодействия, в частности связанные с колебаниями железо-мышьяковых слоев. Предполагается, что усиление спин-флуктуаций фононами играет роль в механизме сверхпроводимости.
3. Водородсодержащие соединения под давлением. Например, соединение H3S под давлением 155 ГПа имеет Тс около 203 К. В этом случае критическая температура очень высока благодаря сильному электрон-фононному взаимодействию с фононами, связанными с колебаниями атомов водорода.
4. Магниевый диборид (MgB2). Тс около 39 К. Сверхпроводимость в этом материале объясняется двумя отдельными сверхпроводящими щелями, связанными с различными фононными модами.
Таким образом, в материалах с высокой Тс фонон-ные колебания и электрон-фононное взаимодействие играют ключевую роль, определяя сверхпроводящие свойства. Детальное понимание роли фононов является важной задачей для дальнейшего развития сверхпроводниковой электроники.
Импульсный туннельный эффект (ИТЭ) может оказывать существенное влияние на сопротивление и проводимость в наноструктурах.
1. Отрицательное дифференциальное сопротивление. При ИТЭ возможны ситуации, когда увеличение напряжения приводит к снижению тока, что проявляется как отрицательное дифференциальное сопротивление. Это происходит при определенных диапазонах напряжений/то -ков, когда туннелирование электронов становится более вероятным. Области с отрицательным дифференциальным сопротивлением могут использоваться для создания электронных переключателей, генераторов и других нелинейных устройств.
2. Осцилляции тока. Квантовые эффекты при ИТЭ могут приводить к периодическим изменениям тока при плавном изменении напряжения. Это связано с модуляцией прохождения электронов через туннельный барьер при изменении потенциального профиля. Такие осцилляции тока можно наблюдать, например, в резонансно-туннельных диодах.
3. Влияние на сопротивление. Наличие туннельных барьеров в наноструктурах существенно увеличивает сопротивление устройства. При определенных условиях ИТЭ может снижать сопротивление, например, за счет резонансного туннелирования. Таким образом, ИТЭ позволяет динамически управлять сопротивлением наноструктур.
В итоге, импульсный туннельный эффект в наноструктурах может вызывать нелинейные эффекты, такие как отрицательное дифференциальное сопротивление и осцилляции тока. Это открывает возможности для создания новых типов наноэлектронных устройств, демонстрирующих уникальные транспортные характеристики.
Импульсный туннельный эффект действительно тесно связан с большими бросками тока, возникающими при преодолении накопленной энергии барьера.
Роль фононов в ИТЭ является очень важной.
1. Накопление энергии за счет поляризации. Перед туннелированием, электроны накапливают потенциальную энергию, вызывая поляризацию структуры. Это происходит за счет взаимодействия электронов с колебаниями решетки (фононами).
2. Инициирование туннелирования. Когда накопленная энергия достигает определенного порога, она может быть высвобождена путем резкого туннелирования электронов через барьер. Взаимодействие электронов с фононами играет ключевую роль в этом процессе, позволяя электронам преодолеть барьер.
3. Роль фононов в осцилляциях. Периодические изменения тока при ИТЭ также связаны с динамикой фононов. Флуктуации фононного поля модулируют потенциальный профиль, что влияет на вероятность туннелирования.
4. Влияние на сопротивление. Рассеяние электронов на фононах вносит вклад в сопротивление устройства. Изменение фононного спектра при ИТЭ может приводить к вариациям сопротивления.
Таким образом, фононы играют ключевую роль в накоплении энергии, инициировании туннелирова-ния, а также в формировании динамических характеристик ИТЭ, влияющих на сопротивление. Понимание этих механизмов крайне важно для разработки нано-электронных устройств, использующих импульсный туннельный эффект.
Импульсный туннельный эффект имеет большой потенциал для использования в различных областях электроники и нанотехнологий. Вот некоторые из наиболее перспективных направлений применения этого явления.
1. Наноэлектроника:
• быстродействующие и энергоэффективные переключатели и логические элементы;
• генераторы импульсов и сверхбыстрые генераторы тактовых сигналов;
• сверхвысокочастотные (СВЧ) устройства, такие как осцилляторы и детекторы.
2. Сенсорика:
• высокочувствительные датчики магнитного поля, давления, ускорения;
• детекторы одиночных электронов и фотонов.
3. Квантовые вычисления:
• реализация кубитов на основе ИТЭ-структур;
• быстрые и энергоэффективные переключатели для квантовых схем.
4. Энергетика:
• источники тока на основе ИТЭ-эффекта;
• преобразователи энергии в микро- и наномас-штабе.
5. Медицинская техника:
• мини- и микроимплантаты с низким энергопотреблением;
• высокочувствительные биосенсоры.
Ключевыми преимуществами использования ИТЭ
являются высокое быстродействие, малое энергопотребление, масштабируемость и возможность интеграции с существующими нанотехнологическими платформами. Активное исследование и разработка устройств на основе ИТЭ ведутся во многих передовых научно-исследовательских центрах по всему миру.
При реализации устройств на основе импульсного туннельного эффекта существует ряд серьезных технологических вызовов, которые необходимо преодолеть.
1. Контроль структурной однородности:
• для достижения стабильных и воспроизводимых характеристик критически важен строгий контроль структуры наноразмерных элементов;
• неоднородности в материалах, дефекты и примеси могут значительно искажать профиль потенциального барьера.
2. Точная настройка параметров:
• эффективное использование ИТЭ требует очень точной настройки геометрических размеров, барьерных высот и других параметров;
• небольшие вариации в этих параметрах могут приводить к существенным изменениям рабочих характеристик.
3. Масштабирование и интеграция:
• разработка массивов ИТЭ-устройств и их интеграция с другими компонентами схем является сложной технологической задачей;
• необходимо обеспечить высокую плотность упаковки и однородность параметров в масштабе интегральной схемы.
4. Обеспечение стабильности:
• надежность и долговечность ИТЭ-устройств под воздействием окружающей среды, температуры, электрических и механических нагрузок является критической проблемой;
• стабилизация характеристик требует тщательных конструктивных и материаловедческих решений.
5. Управление тепловыми эффектами:
• высокие плотности тока и мощности, сопровождающие ИТЭ, могут приводить к локальному перегреву и тепловой деградации;
• эффективные методы отвода тепла и управление температурными режимами имеют большое значение.
Преодоление этих технологических барьеров является ключевой задачей для успешного внедрения ИТЭ-устройств в практические приложения. Активные усилия ученых и инженеров в области наноэлектроники, материаловедения и микро-нанофабрикации направлены на решение этих вызовов.
Импульсный туннельный эффект может быть использован для улучшения характеристик и расширения областей применения сверхпроводящих устройств. Приведем несколько примеров такого применения.
1. Сверхпроводящие переключатели и логические элементы. ИТЭ-структуры могут быть интегрированы в сверхпроводящие схемы для реализации быстрых и энергоэффективных переключателей. Это позволит создавать сверхскоростные сверхпроводящие цифровые устройства.
2. Сверхпроводящие генераторы и усилители. Комбинация ИТЭ и сверхпроводящих материалов может привести к созданию сверхбыстрых и малошумящих генераторов, усилителей и генераторов импульсов. Такие устройства найдут применение в СВЧ-электронике, радиолокации и квантовых вычислениях.
3. Сверхпроводящие сенсоры. ИТЭ-структуры, интегрированные в сверхпроводящие датчики, могут значительно повысить их чувствительность и быстродействие. Это актуально для датчиков магнитного поля, одиночных частиц, гравитационных волн и других физических величин.
4. Криогенная электроника. Использование ИТЭ в криогенных условиях при сверхнизких температурах может обеспечить дополнительные преимущества в виде более стабильных параметров и более высокой скорости переключения. Такие разработки важны для квантовых вычислений и других криогенных систем.
Ключевым фактором успешного применения ИТЭ в сверхпроводящих устройствах является совместная оптимизация материалов, конструкции и технологии изготовления. Активные исследования в этом направлении ведутся в ведущих научных центрах по всему миру.
Способность импульсного туннельного эффекта аккумулировать энергию за счет взаимодействия с фо-нонами является ключевым преимуществом для применения в сверхпроводящих устройствах.
Расскажем более подробно, как это работает.
1. Фононы в сверхпроводниках. В сверхпроводящих материалах, особенно при криогенных температурах, присутствует значительное количество фононов - квазичастиц, связанных с колебания-
ми кристаллической решетки. Эти фононы играют важную роль в механизме сверхпроводимости, связывая электроны в куперовские пары.
2. Накопление энергии фононов в ИТЭ. За счет специфики туннелирования в ИТЭ-структурах, энергия фононов может эффективно накапливаться в таких системах. При резонансном возбуждении ИТЭ энергия фононов аккумулируется, создавая неравновесную фононную подсистему.
3. Применение для сверхпроводящих устройств. Эта накопленная энергия фононов может быть полезно использована для управления и повышения эффективности сверхпроводящих элементов. Например, она может использоваться для динамической перестройки параметров сверхпроводящих переключателей, усилителей или сенсоров. Это позволит увеличить быстродействие, чувствительность и энергоэффективность таких устройств.
Таким образом, способность ИТЭ взаимодействовать с фононной подсистемой является ключевым преимуществом, которое открывает широкие возможности для улучшения характеристик сверхпроводящей электроники. Исследования в этом направлении являются одним из важных трендов в области сверхпроводящих технологий.
В сочетании с импульсным туннельным эффектом, существует еще несколько механизмов, которые могут улучшить эффективность и характеристики сверхпроводящих устройств.
1. Динамическое управление сверхпроводящим переходом. ИТЭ может использоваться для динамической перестройки критического тока и температуры перехода сверхпроводник-нормальный металл. Это позволит адаптивно управлять рабочими режимами сверхпроводящих элементов, повышая их быстродействие и энергоэффективность.
2. Использование эффекта близости. Комбинируя сверхпроводящие и нормальные металлы в гибридных структурах, можно использовать эффект близости. Это позволит модифицировать свойства сверхпроводников, например, снижая критические токи или температуры перехода. В сочетании с ИТЭ это даст дополнительные возможности управления характеристиками устройств.
3. Квантовые интерференционные эффекты. В сверхпроводящих кольцах и интерферометрах проявляются квантовые интерференционные явления, чувствительные к внешним воздействиям. Используя ИТЭ, можно эффективно управлять этими квантовыми эффектами, что важно для сенсорных и логических сверхпроводящих схем.
4. Взаимодействие с магнитными материалами. Комбинируя сверхпроводники с ферромагнитными или антиферромагнитными материалами,
можно реализовать спинтронные эффекты. Совместно с ИТЭ это позволит создавать высокочувствительные сверхпроводящие спинтронные устройства.
Таким образом, комплексное использование ИТЭ в сочетании с другими физическими механизмами открывает широкие возможности для повышения эффективности, быстродействия и функциональности сверхпроводниковой электроники нового поколения.
Литература
1. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Импульсный туннельный эффект. Особенности взаимодействия с веществом. Эффект наблюдателя // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 2. С. 116-145. DOI: 10.33693/2313- 223X-2024-11-2-116-145. EDN: MWBRQW.
2. Рахимов Р.Х., Паньков В.В., Саидвалиев Т.С. Исследование влияния импульсного излучения, генерируемого функциональной керамикой на основе принципа ИТЭ, на характеристики системы Cr2O3—SiO2—Fe2O3—CaO— Al2O3—MgO—CuO // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 2. С. 146-157. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-146-157. EDN: MWPEYI.
3. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Особенности процесса полимеризации на основе ИТЭ // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 2. С. 158-174. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-158-174. EDN: MXFORZ.
4. Рахимов Р.Х., Паньков В.В., Ермаков В.П. и др. Импульсный туннельный эффект: результаты испытаний пленочно-керамических композитов // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 2. С. 175-191. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-175-191. EDN: NHSAVQ.
5. Рахимов Р.Х. Импульсный туннельный эффект: фундаментальные основы и перспективы применения // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 1. С. 193-213. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-193-213. EDN: EWSBUT.
6. Рахимов Р.Х., Паньков В.В., Ермаков В.П, Махнач Л.В. Производительные методы повышения эффективности протекания промежуточных реакций при синтезе функциональной керамики // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 1. С. 224-234. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-224-234. EDN: FCGMYR.
7. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Новые подходы к синтезу функциональных материалов с заданными свойствами под действием концентрированного излучения и импульсного туннельного эффекта // Computational Nanotechnology. 2024. Т. 11. № 1. С. 214-223. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-214-223. EDN: EYKREQ.
8. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of pulsed quantum tunneling effect in photocatalysts based on nanostructured functional ceramics // Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 26-34. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-
10-3-26-34. EDN: QZQMCA.
9. Рахимов Р.Х., Паньков В.В., Ермаков В.П. и др. Исследование свойств функциональной керамики синтезированной модифицированным карбонатным методом // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 3. С. 130-143. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-130-143. EDN: SZDYRZ.
10. Рахимов Р.Х., Ермаков В.П. Перспективы солнечной энергетики: роль современных гелиотехнологий в производстве водорода // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 3. С. 11-25. DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-
11-25. EDN: NQBORL.
11. Kamihara Y., Watanabe T., Hirano M., Hosono H. High-temperature superconductivity in iron-based materials // Jour-
nal of the American Chemical Society. 2008. No. 130 (11). Pp. 3296-3297.
12. Drozdov A.P., Eremets M.I., Troyan I.A. et al. Superconductivity at 203 K in lanthanum/hydrogen under high pressure // Nature. 2015. No. 525 (7567). Pp. 73-76.
13. Choi H.J., Roundy D., Sun H. et al. The electron-phonon interaction in MgB2 // Nature. 2002. No. 418 (6899). Pp. 758-760.
14. Plakida N.M. Electron-phonon coupling and high-Tc superconductivity in cuprates // Physica C: Superconductivity. 2001. No. 364-365. Pp. 334-340.
15. Reynolds C.A., Serin B., Wright W.H., Nesbitt L.B. Isotopic effect in superconductors // Phys. Rev. 1951. No. 84. P. 691.
16. Кулеев И.И., Кулеев И.Г., Бахарев С.М., Инюшкин А.В. Влияние дисперсии на фокусировку фононов и анизотропию теплопроводности монокристаллов кремния в режиме граничного рассеяния // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. Вып. 7. С. 1441-1450
17. Свистунов В.М., Белоголовский М.Б., Хачатуров А.И. Электрон-фононное взаимодействие в высокотемпературных сверхпроводниках // УФН. 1993. Т. 163. № 2. С. 61-79.
18. Iguchi I., Wen Z. Tunnel gap structure and tunneling model of the anisotropic YBaCuO/I/Pb junctions // Physica С. 1991. Vol. 178. No. 1. Pp. 1-10.
19. Барьяхтар В.Г., Белоголовский М.Б., Свистунов В.М., Хачатуров А.И. Особенности туннелирования в металло-оксидную керамику // ДАН АН СССР. 1989. Т. 307. № 4. С. 850-853.
20. Илюшкин А.В., Талденков Б.З., Флорентьев В.В. Теплопроводность монокристаллов LnBa2Cu3O7 // УФН. 1991. Т. 161. № 7. С. 200-204.
21. Dynes R.C., Sharifi F., Pargellis A. et al. Tunneling spectroscopy in Ва1 _ ДВЮ3 // Physica С. 1991. Vol. 185-189. Pp. 234-240. * *
22. Tsuda N., Shimada D., Miyakawa N. Phonon mechanism of high Tc superconductivity based on the tunneling study of Bi-based cuprates // Physica С. 1991. Vol. 185-189. Pp. 1903-1904.
23. Бобров Н.Л. Восстановление функции электрон-фо-нонного взаимодействия в сверхпроводниках с помощью неоднородных микроконтактов и коррекция фона в спектрах Янсона // ЖЭТФ. 2021. Т. 160. Вып. 1 (7). С. 73-87.
24. Лыков А.Н. О возможности фононного механизма сверхпроводимости в купратных ВТСП // Физика твердого тела. 2022. Т. 64. Вып. 11. С. 1631-1637.
25. Шнейдер Е.И., Овчинников С.Г. Влияние электрон-фо-нонного взаимодействия на анизотропный сверхпроводящий параметр порядка // Вестник НГУ Серия: Физика. 2007. Т. 2. Вып. 1.
26. Gweon G.-H., Sasagawa T., Zhou S.Y. et al. An unusual isotope effect in a hightemperature superconductor // Letters to Nature. 2004. Vol. 430. Pp. 187-190.
27. Zhou X.Z., Junren Shi., Yoshida T. et al. Multiple bosonic mode coupling in electron self-energy of (La2 _ *Sr*)CuO4 // Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 95. Pp. 117001-117004.*
28. Овчинников С.Г., Шнейдер Е.И. Эффективный гамильтониан для ВТСП купратов с учетом ЭФВ взаимодействия в режиме сильных корреляций // ЖЭТФ. 2005. Т. 128. С. 974-986.
29. Шнейдер Е.И., Овчинников С.Г. Фононный и магнитный механизмы спаривания в высокотемпературных сверхпроводниках в режиме сильных корреляций // Письма в ЖЭТФ. 2006. Т. 128. Вып. 5. С. 974-986.
30. Pintschovius L. Electron-phonon coupling effects explored by inelastic neutron scattering // Phys. Stat. Sol. B. 2005. Vol. 242. Pp. 30-50.
DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-3-161-176
Pulsed Tunnel Effect: New Perspectives
for Controlling Superconducting Devices
R.Kh. Rakhimov ©
Institute of Materials Science of the Academy of Science of Uzbekistan, Tashkent, Republic of Uzbekistan
E-mail: [email protected]
Abstract. The article is devoted to the study of pulsed tunneling effect and its new prospects in the control of superconducting devices. The quantum nature of electrical resistance, including the quantum Hall effect, the Klitzing quantum resistance, and the Josephson effect, is considered. Particular attention is paid to the role of quantum size effects in the formation of the electrical resistance of nanostructures and molecular conductors. The article highlights new prospects for the use of pulsed tunneling effect to control the characteristics of superconducting devices.
Key words: pulsed tunneling effect, superconducting devices, quantum Hall effect, Klitzing quantum resistance, Josephson effect, quantum size effects, nanostructures, molecular conductors
FOR CITATION: Rakhimov R.Kh. Pulsed Tunnel Effect: New Perspectives for Controlling Superconducting Devices. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 3. Pp. 169-176. DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-3-169-176. EDN: QBGGDW
QUANTUM NATURE OF ELECTRICAL RESISTANCE
The quantum nature of electrical resistance can be described as follows.
1. Electrical resistance at the quantum level is caused by the scattering of electrons on various defects and inhomogeneities in the conductor:
• Scattering on phonons (vibrations of the crystal lattice);
• Scattering on impurities and defects in the crystal structure;
• Scattering on grain boundaries and surfaces.
2. Quantization of electronic states in the conductor leads to the discreteness of electrical resistance values. This is manifested in the quantum Hall effect and the Klitzing quantum resistance:
• Quantum Hall effect - quantization of Hall resistance in two-dimensional electron systems at low temperatures and strong magnetic fields;
• Klitzing quantum resistance - the fundamental resistance value of h/e2 ~ 25.812 kQ, observed in quantum point contacts.
3. Tunnel resistance at the boundaries of a superconductor-normal metal (Josephson effect) also has a quantum nature, determined by the laws of quantum mechanics.
4. In nanostructures and molecular conductors, quantum size effects play a key role in the formation of electrical resistance.
Thus, the quantum nature of electrical resistance is manifested in the discreteness of electronic states, tunnel processes, and size effects that determine the transport properties of materials on micro- and nanoscales.
Quantum effects have a significant impact on the conductivity in nanostructures. The main mechanisms by which the quantum nature of materials manifests itself in electronic transport on the nanometer scale are.
1. Quantization of energy states. In nanostructures, the dimensions are comparable to the electron wavelength, leading to the quantization of energy states. This changes the density of electronic states and affects transport properties, such as electrical conductivity.
2. Ballistic transport. In very small structures, the electron mean free path can exceed the device size. This leads to a ballistic transport regime, where electrons move without scattering, significantly increasing the conductivity.
3. Tunnel effects. Quantum tunneling of electrons through potential barriers becomes possible in nanometer-scale structures. This effect is used, for example, in tunnel transistors, where the current is controlled by the tunnel barrier.
4. Coulomb blockade. In very small structures (quantum dots, single-electron transistors), adding or removing a single electron can significantly change the electrical properties. This is a manifestation of the discreteness of electric charge on the nanometer scale.
5. Size effects. Reducing the size of structures down to the nanometer scale leads to the dominance of quantum size effects. This affects the density of electronic states, charge carrier mobility, and other transport characteristics.
Thus, quantum effects in nanostructures radically change their electrical properties and open up possibilities for the creation of new nanoelectronic devices.
From the modern perspective of quantum mechanics, an exciton can be characterized as follows.
1. Quasiparticle. An exciton is a quasiparticle consisting of a bound electron-hole pair, which is created as a result of photon absorption in a semiconductor or dielectric.
2. Electron-hole pair. The absorption of a photon leads to the excitation of an electron from the valence band to the conduction band, leaving behind a hole in the valence band. The electron and hole are bound by Coulomb attraction, forming an exciton.
3. Bound state. An exciton is a bound state of an electron and a hole, analogous to a hydrogenlike atom, where the electron and proton are bound by Coulomb interaction.
4. Energy levels. An exciton has discrete energy levels, similar to atomic levels, determined by its size and the masses of its constituent particles.
5. Exciton motion. An exciton can move through the crystal lattice of the material, preserving its bound state, similar to the motion of neutral particles.
6. Impact on optical properties. The formation of excitons affects the optical properties of the material, manifesting as excitonic absorption or emission peaks.
7. Applications. Excitons play an important role in the processes of light absorption and emission in semiconductors and dielectric materials used in optoelectronics and photonics.
Thus, from the perspective of modern quantum mechanics, an exciton is a bound state of an electron-hole pair, possessing quasiparticle properties and influencing the optical characteristics of materials.
However, it is important to note that an exciton is more of a theoretical model for describing certain processes, rather than a physically real particle. The main arguments in favor of this view are.
1. Holes are not physical particles. As mentioned, holes do not move as real particles, but rather represent the absence of an electron in the valence band, which creates the appearance of its motion.
2. Electron-hole pair. The exciton is described as a bound electron-hole pair, but in reality, this is simply a description of the redistribution of electrons upon excitation, not a real particle.
3. Quasiparticle. The exciton, like other quasiparticles (phonons, polarons, etc.), is a conceptual model for the convenient description of collective excitations, but not a physical particle.
4. Energy levels. Although the exciton has discrete energy levels, like an atom, this is more a consequence of the quantization of energy in the crystal lattice, rather than a property of a real particle.
Thus, the exciton is a useful theoretical model for describing optical and electronic processes in semiconductors and dielectrics, but not a physical reality in the literal sense. The motion of holes is simply a convenient concept for explaining the observed phenomena.
In bismuth superconductors, excitons may play an important role in the mechanism of superconductivity, although their exact role is still being actively studied and is the subject of scientific debate. Here is how excitons can be described in this context.
1. Exciton generation. When bismuth compounds are cooled to superconducting temperatures, the excitation of electrons in the conducting bands leads to the formation of bound electron-hole pairs, i.e. excitons.
2. Exciton condensation. It is hypothesized that these excitons can condense into a coherent quantum state, similar to the Bose-Einstein condensate. This state of exciton condensation may contribute to the emergence of superconductivity.
3. Role in electron pairing. The interaction between excitons and electrons can lead to an effective attraction between electrons, which facilitates the formation of Cooper pairs - the basis of the superconducting state.
4. Effect on the energy spectrum. The presence of excitons can modify the energy spectrum of electrons near the Fermi level, creating conditions favorable for superconductivity.
5. Coupling with other collective excitations. Excitons can interact with other quasiparticles such as phonons, and these complex interactions may also play a role in the mechanism of superconductivity. Thus, although the exact role of excitons in the superconductivity of bismuth compounds is not completely clear, they are considered an important element that can contribute to the formation and stabilization of the superconducting state in these materials. Further studies will help to clarify their specific mechanism of action.
The interaction of excitons and phonons plays an important role in the mechanism of superconductivity in bismuth compounds.
1. Interaction of excitons and phonons. Excitons can interact with the vibrations of the crystal lattice, that is, with phonons. This interaction can lead to the scattering of excitons by phonons and to changes in the energy spectrum of excitons. Such interaction of excitons and phonons can contribute to the formation of Cooper pairs - the basis of the superconducting state.
2. Phonons with optimal energy. To achieve the maximum temperature of the superconducting transition
Rakhimov R.Kh.
in bismuth compounds, the most effective pho-nons are those with energies corresponding to the characteristic vibrational energies of the crystal lattice. In bismuth superconductors, these characteristic phonon energies lie in the range of ~10 to ~30 meV, which corresponds to de Broglie wavelengths of phonons of approximately 0.2 to 0.6 nanometers. It is precisely the phonons in this energy range that can most effectively interact with excitons and contribute to the formation of Cooper pairs, thereby providing the maximum temperature of the superconducting transition.
Thus, the interaction of excitons with phonons having energies on the order of 10-30 meV (de Broglie wavelengths of about 0.2-0.6 nm) is an important factor influencing the mechanism of high-temperature superconductivity in bismuth compounds. This type of interaction promotes the effective formation of Cooper pairs and the stabilization of the superconducting state.
There is a series of experiments that confirm the important role of excitons in the mechanism of superconductivity in bismuth compounds.
1. Optical spectroscopy. Experiments using optical spectroscopy show the presence of intense absorption and emission bands associated with the excitation of excitons in bismuth superconductors. These optical properties are directly related to the strong electron-hole interaction, leading to the formation of excitonic states.
2. Tunneling spectroscopy. Studies using tunneling spectroscopy reveal features of the electronic density of states characteristic of the excitonic mechanism of superconductivity. Peaks in the density of states are observed, corresponding to the binding energies of excitons.
3. Heat capacity measurements. Anomalies in the temperature dependence of the heat capacity near the transition temperature to the superconducting state indicate the important role of collective excitations, such as excitons. These heat capacity anomalies are associated with phase transitions caused by the condensation of excitons.
4. Anisotropy of superconducting properties. Strong anisotropy of the critical field and critical current in bismuth superconductors has been experimentally observed. Such anisotropy is consistent with the expected properties of a superconducting condensate consisting of excitonic pairs.
The combination of these experimental data suggests that excitonic states and their interaction with phonons play a key role in the mechanism of high-temperature superconductivity in bismuth compounds.
The interaction of excitons with phonons is an important mechanism that contributes to the formation of superconductivity in bismuth compounds. Let's consider in more detail how this interaction occurs.
1. Generation of excitons by phonons:
• Thermal vibrations of the crystal lattice (phonons) can excite electronic transitions, leading to the formation of excitons;
• Phonons with the appropriate energy interact with electrons and holes, binding them into excitonic states.
2. Stabilization of excitons by phonons:
• The interaction of excitons with phonons helps to stabilize them, preventing the decay of exciton pairs;
• Phonons "dress" the excitons, forming quasiparticles known as polarons;
• Polarons are more stable against local fluctuations and destruction, increasing the likelihood of their condensation.
3. Exciton-phonon coupling:
• Strong electron-phonon interaction in bismuth compounds leads to the formation of bound states of excitons and phonons;
• These coupled exciton-phonon states promote efficient charge transport and provide a mechanism for superconducting pairing.
4. Condensation of exciton pairs:
• At sufficiently low temperatures, exciton pairs can condense into a coherent superconducting state;
• The presence of phonons modifies the energy spectrum of excitons and influences the conditions for their condensation.
Thus, the close interaction of excitons with phonons is a key aspect in the mechanism of high-temperature superconductivity in bismuth compounds. This interaction helps to stabilize excitonic states and creates favorable conditions for their condensation into a superconducting state.
Phonons play an important role in determining the critical temperature Tc of superconductivity in bismuth-based compounds. Here are the main mechanisms through which phonons influence the critical temperature.
1. Electron-phonon interaction. Strong electron-phonon coupling in bismuth-based compounds enhances the effective attraction between electrons. This effective attraction, mediated by phonons, promotes the formation of Cooper pairs and increases Tc.
2. Isotope effect. Substituting different isotopes of bismuth with varying masses leads to changes in the frequency of phonon modes. Alterations in phonon frequencies influence the electron-phonon interaction and, consequently, Tc. A significant isotope effect has been observed in bismuth-based superconductors, confirming the importance of phonons.
3. Anisotropy of phonon modes. The crystal structure of bismuth-based compounds results in a strong
MATHEMATICAL MODELING, NUMERICAL METHODS AND COMPLEX PROGRAMS
anisotropy in the phonon spectra. Certain phonon modes, especially in specific directions, may have anomalously high frequencies. This phonon anisotropy affects the effective density of states available for Cooper pair formation, and hence Tc.
4. Pressure effects. External pressure can modify phonon frequencies and the strength of the electron-phonon interaction. This can lead to a strong dependence of Tc on the applied pressure in bismuth-based superconductors.
Overall, the intimate connection between the electronic structure and phononic excitations in bismuth-based compounds makes phonons a key factor in determining the high critical temperatures of superconductivity in these materials.
Several experimental studies have been carried out on bismuth-based superconductors that confirm the important role of phonons in determining the critical temperature Tc of superconductivity:
1. Isotope effect. Replacing some bismuth isotopes with others changes the atomic mass, affecting the frequencies of phonon modes. Experiments have shown a significant isotopic shift of Tc in bismuth-based superconductors, indicating the important role of phonons.
2. Inelastic neutron scattering spectroscopy. This method allows direct measurement of phonon spectra in bismuth compounds. Experiments have revealed strong anisotropy of phonon modes, which is consistent with theoretical predictions. Anomalously high frequencies of some phonon modes explain the high Tc in these materials.
3. Angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). ARPES allows mapping of the electronic structure and investigation of the electron-phonon interaction. ARPES experiments have revealed strong electron-phonon coupling in bismuth-based superconductors. The observed kinks in the dispersion of electronic states are direct evidence of the role of phonons.
4. Heat capacity measurements. Anomalies in the temperature dependence of heat capacity near Tc reflect the contribution of phonons to the formation of Cooper pairs. Experiments show that the phonon contribution to heat capacity is dominant in bismuth-based superconductors.
The totality of these experimental results convincingly confirms the key role of phonons in the formation of high critical temperatures of superconductivity in bismuth compounds.
Phonon mechanisms play a key role in determining the critical temperature of superconductors. Here are the main ways in which phonons affect Tc.
1. Electron-phonon interaction. In conventional BCS superconductors, such as elementary metals, electrons interact with crystal lattice vibrations (phonons), leading to the formation of Cooper pairs
and superconductivity. The strength of the electron-phonon interaction determines the magnitude of the energy gap in the excitation spectrum and, consequently, affects Tc.
2. Isotope effect. Changing the mass of ions (e.g., by substituting isotopes) affects the frequency of phonon modes, which in turn affects Tc. The experimentally observed dependence of Tc on the isotope mass is evidence of the importance of phonon mechanisms.
3. Structural changes and phase transitions. Modifications to the crystal lattice structure, caused by doping or pressure, can change the frequencies of phonon modes and, consequently, the critical temperature. Phase transitions accompanied by structural changes can also affect the Tc of superconductors.
4. Phonon mode fluctuations. In some materials, especially in high-temperature superconductors, phonon mode fluctuations play an important role and can contribute to superconducting pairing.
Thus, a detailed understanding of the role of phonons is critical for explaining and predicting the critical temperatures of superconductors. Intensive research in this area continues to this day.
There are several examples of materials with anomalously high critical superconducting transition temperatures in which phonon mechanisms play a significant role.
1. Cuprate superconductors. For example, YBa.,Cu,O, with a T around 92 K. In these mate-
2 3 7 c
rials, strong electron-phonon interactions related to the vibrations of the copper-oxygen planes are observed. The role of phonons includes participation in the formation of Cooper pairs and modification of the electronic structure.
2. Iron-based superconductors. For example, compounds of the type LaFeAsO1 _ xFx with Tc up to 55 K. Here, electron-phonon interactions, particularly those associated with the vibrations of the iron-arsenic layers, are also important. It is suggested that the enhancement of spin fluctuations by phonons plays a role in the superconducting mechanism.
3. Hydrogen-containing compounds under pressure. For example, the compound H3S under a pressure of 155 GPa has a T around 203 K. In this case, the critical temperature is very high due to strong electron-phonon interactions with phonons associated with the vibrations of hydrogen atoms.
4. Magnesium diboride (MgB2). Tc around 39 K. The superconductivity in this material is explained by two separate superconducting gaps, associated with different phonon modes.
Thus, in materials with high Tc, phonon vibrations and electron-phonon interactions play a key role, determining the superconducting properties. A detailed understanding
Rakhimov R.Kh.
of the role of phonons is an important task for the further development of superconducting electronics.
The Pulsed Tunnel Effect (PTE) can have a significant impact on the resistance and conductance in nanostructures.
1. Negative differential resistance. In the case of PTE, there can be situations where an increase in voltage leads to a decrease in current, which manifests as negative differential resistance. This occurs within certain voltage/current ranges, when electron tunneling becomes more probable. Regions with negative differential resistance can be used to create electronic switches, oscillators, and other nonlinear devices.
2. Current oscillations. Quantum effects in PTE can lead to periodic changes in current with a smooth change in voltage. This is related to the modulation of electron transmission through the tunnel barrier as the potential profile changes. Such current oscillations can be observed, for example, in resonant-tunneling diodes.
3. Impact on resistance. The presence of tunnel barriers in nanostructures significantly increases the device resistance. Under certain conditions, PTE can reduce the resistance, for instance, due to resonant tunneling. Thus, PTE allows for the dynamic control of the resistance in nanostructures.
In summary, the pulsed tunnel effect in nanostructures can induce nonlinear effects, such as negative differential resistance and current oscillations. This opens up opportunities for the creation of new types of nano-electronic devices with unique transport characteristics.
The Pulsed Tunnel Effect is indeed closely related to the large current spikes that occur when overcoming the accumulated energy barrier.
The role of phonons in PTE is very important.
1. Energy accumulation through polarization. Before tunneling, electrons accumulate potential energy, causing polarization of the structure. This occurs due to the interaction of electrons with lattice vibrations (phonons).
2. Initiation of tunneling. When the accumulated energy reaches a certain threshold, it can be released through a sudden tunneling of electrons through the barrier. The interaction of electrons with phonons plays a key role in this process, allowing electrons to overcome the barrier.
3. Role of phonons in oscillations. The periodic changes in current during PTE are also related to the dynamics of phonons. Fluctuations in the phonon field modulate the potential profile, affecting the probability of tunneling.
4. Influence on resistance. Scattering of electrons on phonons contributes to the resistance of the device. Changes in the phonon spectrum during PTE can lead to variations in resistance.
Thus, phonons play a crucial role in the accumulation of energy, the initiation of tunneling, as well as the formation
of the dynamic characteristics of PTE, which affect the resistance. Understanding these mechanisms is crucial for the development of nanoelectronic devices utilizing the pulsed tunnel effect.
The pulsed tunnel effect has great potential for use in various fields of electronics and nanotechnology. Here are some of the most promising application areas of this phenomenon.
1. Nanoelectronics:
• High-speed and energy-efficient switches and logic elements;
• Pulse generators and ultra-fast clock signal generators;
• Microwave (RF) devices, such as oscillators and detectors.
2. Sensing:
• High-sensitivity sensors for magnetic field, pressure, acceleration;
• Detectors for single electrons and photons.
3. Quantum computing:
• Realization of qubits based on PTE structures;
• Fast and energy-efficient switches for quantum circuits.
4. Energy:
• Current sources based on the PTE effect;
• Energy converters at micro- and nanoscales.
5. Medical technology:
• Mini- and microimplants with low power consumption;
• Highly sensitive biosensors.
The key advantages of using PTE are high speed, low power consumption, scalability, and the ability to integrate with existing nanotechnology platforms. Active research and development of PTE-based devices are underway in many leading research centers around the world.
When implementing devices based on the Resonant Tunneling Effect (RTE), there are a number of significant technological challenges that need to be overcome.
1. Structural homogeneity control:
• Strict control of the nanostructure elements is critical to achieving stable and reproducible characteristics;
• Inhomogeneities in materials, defects, and impurities can significantly distort the potential barrier profile.
2. Precise parameter tuning:
• Effective utilization of RTE requires very precise tuning of geometric dimensions, barrier heights, and other parameters;
• Small variations in these parameters can lead to significant changes in performance characteristics.
3. Scalability and integration:
• Developing arrays of RTE devices and integrating them with other circuit components is a complex technological challenge;
• High packing density and parameter uniformity across the integrated circuit scale must be ensured.
4. Ensuring stability:
• Reliability and longevity of RTE devices under the influence of the environment, temperature, electrical, and mechanical loads is a critical issue;
• Stabilization of characteristics requires careful design and materials engineering solutions.
5. Thermal effects management:
• The high current and power densities associated with RTE can lead to local overheating and thermal degradation;
• Effective heat dissipation methods and thermal management are of great importance.
Overcoming these technological barriers is a key task for the successful implementation of RTE devices in practical applications. Active efforts by scientists and engineers in the fields of nanoelectronics, materials science, and micro-/nanofabrication are directed at solving these challenges.
Pulsed Tunneling Effect can be used to improve characteristics and expand application areas of superconducting devices. Here are several examples of such applications.
1. Superconducting switches and logic elements. PTE structures can be integrated into superconducting circuits to realize fast and energy-efficient switches. This will enable the creation of ultra-high-speed superconducting digital devices.
2. Superconducting generators and amplifiers. The combination of PTE and superconducting materials can lead to the creation of ultra-fast and low-noise generators, amplifiers, and pulse generators. Such devices will find applications in microwave electronics, radar, and quantum computing.
3. Superconducting sensors. PTE structures integrated into superconducting sensors can significantly improve their sensitivity and speed. This is relevant for sensors of magnetic fields, single particles, gravitational waves, and other physical quantities.
4. Cryogenic electronics. Using PTE in cryogenic conditions at ultra-low temperatures can provide additional advantages in the form of more stable parameters and higher switching speeds. Such developments are important for quantum computing and other cryogenic systems.
The key factor for successful application of PTE in superconducting devices is the joint optimization of materials, design, and manufacturing technology. Active research in this direction is being carried out in leading scientific centers around the world.
The ability of the Pulsed Tunneling Effect to accumulate energy through interaction with phonons is a key advantage for application in superconducting devices.
Here's a more detailed overview of how this works.
1. Phonons in superconductors. In superconducting materials, especially at cryogenic temperatures, there is a significant amount of phonons - quasiparticles associated with crystal lattice vibrations. These
phonons play an important role in the mechanism of superconductivity, binding electrons into Cooper pairs.
2. Accumulation of phonon energy in PTE. Due to the specifics of tunneling in PTE structures, the energy of phonons can be effectively accumulated in such systems. Upon resonant excitation of the PTE, the energy of phonons accumulates, creating a non-equilibrium phonon subsystem.
3. Application for superconducting devices. This accumulated phonon energy can be beneficially used to control and improve the efficiency of superconducting elements. For example, it can be used for dynamic tuning of the parameters of superconducting switches, amplifiers, or sensors. This will allow increasing the speed, sensitivity, and energy efficiency of such devices.
Thus, the ability of PTE to interact with the phonon subsystem is a key advantage that opens up wide opportunities for improving the characteristics of superconducting electronics. Research in this direction is one of the important trends in the field of superconducting technologies.
In addition to the pulsed tunnel effect, there are several other mechanisms that can improve the efficiency and characteristics of superconducting devices.
1. Dynamic control of the superconducting transition. PTE can be used for dynamic tuning of the critical current and transition temperature between the superconducting and normal metal states. This will allow adaptive control of the operating modes of superconducting elements, increasing their speed and energy efficiency.
2. Utilization of the proximity effect. By combining superconducting and normal metals in hybrid structures, the proximity effect can be leveraged. This allows modifying the properties of superconductors, for example, by reducing critical currents or transition temperatures. In combination with PTE, this provides additional opportunities for controlling the characteristics of devices.
3. Quantum interference effects. Quantum interference phenomena, sensitive to external influences, manifest in superconducting rings and interferometers. Using PTE, these quantum effects can be effectively controlled, which is important for sensor and logic superconducting circuits.
4. Interaction with magnetic materials. By combining superconductors with ferromagnetic or anti-ferromagnetic materials, spintronic effects can be realized. Together with PTE, this will enable the creation of highly sensitive superconducting spintronic devices.
Thus, the comprehensive use of PTE combined with other physical mechanisms opens up broad possibilities for improving the efficiency, speed, and functionality of next-generation superconducting electronics.
References
1. Rakhimov R.H., Ermakov V.P. Pulsed tunnel effect. Features of interaction with the substance. The observer effect. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 2. Pp. 116-145. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313- 223X-2024-11-2-116-145. EDN: MWBRQW.
2. Rakhimov R.H., Pankov V.V., Saidvaliev T.S. Investigation of the effect of pulsed radiation generated by functional ceramics based on the ITE principle on the characteristics of the Cr2O3—SiO2—Fe2O3—CaO—Al2O3—MgO—CuO system. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 2. Pp. 146-157. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-146-157. EDN: MWPEYI.
3. Rakhimov R.H., Ermakov V.P. Features of the polymerization process based on ITE. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 2. Pp. 158-174. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-158-174. EDN: MXFORZ.
4. Rakhimov R.H., Pankov V.V., Ermakov V.P. et al. Pulsed tunneling effect: Test results of film-ceramic composites. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 2. Pp. 175-191. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-2-175-191. EDN: NHSAVQ.
5. Rakhimov R.H. Pulsed tunneling effect: fundamental principles and application prospects. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 1. Pp. 193-213. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-193-213. EDN: EWSBUT.
6. Rakhimov R.H., Pankov V.V., Ermakov V.P., Makhnach L.V. Productive methods for increasing the efficiency of intermediate reactions in the synthesis of functional ceramics. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 1. Pp. 224-234. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-224-234. EDN: FCGMYR.
7. Rakhimov R.H., Ermakov V.P. New approaches to the synthesis of functional materials with specified properties under the action of concentrated radiation and pulsed tunneling effect. Computational Nanotechnology. 2024. Vol. 11. No. 1. Pp. 214-223. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2024-11-1-214-223. EDN: EYKREQ.
8. Rakhimov R.Kh. Possible mechanism of pulsed quantum tunneling effect in photocatalysts based on nanostructured functional ceramics. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 26-34. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-26-34. EDN: QZQMCA.
9. Rakhimov R.H., Pankov W, Ermakov V.P. et al. Investigation of the properties of functional ceramics synthesized by a modified carbonate method. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 130-143. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-130-143. EDN: SZDYRZ.
10. Rakhimov R.H., Ermakov V.P. Prospects of solar energy: The role of modern solar technologies in hydrogen production. Computational Nanotechnology. 2023. Vol. 10. No. 3. Pp. 11-25. (In Rus.) DOI: 10.33693/2313-223X-2023-10-3-11-25. EDN: NQBORL.
11. Kamihara Y., Watanabe T., Hirano M., Hosono H. High-temperature superconductivity in iron-based materials. Journal of the American Chemical Society. 2008. No. 130 (11). Pp. 3296-3297.
12. Drozdov A.P.,EremetsM.I., TroyanI.A. et al. Superconductivity at 203 K in lanthanum/hydrogen under high pressure. Nature. 2015. No. 525 (7567). Pp. 73-76.
13. Choi H.J., Roundy D., Sun H. et al. The electron-phonon interaction in MgB2. Nature. 2002. No. 418 (6899). Pp. 758-760.
14. Plakida N.M. Electron-phonon coupling and high-Tc superconductivity in cuprates. Physica C: Superconductivity. 2001. No. 364-365. Pp. 334-340.
15. Reynolds C.A., Serin B., Wright W.H., Nesbitt L.B. Isotopic effect in superconductors Phys. Rev. 84, 691 (1951).
16. Kuleev I.I., Kuleev I.G., Bakharev S.M. Inyushkin A.V. The effect of dispersion on phonon focusing and anisotropy of thermal conductivity of silicon single crystals in the boundary scattering mode. Solid State Physics. 2013. Vol. 55. Issue 7. Pp. 1441-1450. (In Rus.)
17. SvistunovV.M.,BelogolovskyM.B.,KhachaturovA.I. Electron-phonon interaction in high-temperature superconductors. UFN. 1993. Vol. 163. No. 2. Pp. 61-79. (In Rus.)
18. Iguchi I., Wen Z. Tunnel gap structure and tunneling model of the anisotropic YBaCuO/I/Pb junctions. Physica С. 1991. Vol. 178. No. 1. Pp. 1-10.
19. Baryakhtar V.G., Belogolovsky M.B., Svistunov V.M., Khachaturov A.I. Features of tunneling into metal oxide ceramics. DAN AN USSR. 1989. Vol. 307. No. 4. Pp. 850-853. (In Rus.)
20. Ilyushkin A.V., Taldenkov B.Z., Florentyev V.V. Thermal conductivity of single crystals LnBa2Cu3O7 _ . UFN. 1991. Vol. 161. No. 7. Pp. 200-204. (In Rus.)
21. Dynes R.C., Sharifi F., Pargellis A. et al. Tunneling spectroscopy in Ва1 - ДВЮ3. Physica С. 1991. Vol. 185-189. Pp. 234-240. * *
22. Tsuda N., Shimada D., Miyakawa N. Phonon mechanism of high T superconductivity based on the tunneling study of Bi-based cuprates. Physica С. 1991. Vol. 185-189. Pp. 1903-1904.
23. Bobrov N.L. Restoration of the electron-phonon interaction function in superconductors using inhomogeneous microcontacts and background correction in the Janson spectra. ZhETF. 2021. Vol. 160. Issue 1 (7). Pp. 73-87. (In Rus.)
24. Lykov A.N. On the possibility of a phonon mechanism of superconductivity in cuprate HTS. Solid State Physics. 2022. Vol. 64. Issue 11. Pp. 1631-1637. (In Rus.)
25. Schneider E.I., Ovchinnikov S.G. The effect of the electron-phonon interaction on the anisotropic superconducting parameter of the order. Bulletin of the NSU. Series: Physics. 2007. Vol. 2. Issue 1. (In Rus.)
26. Gweon G.-H., Sasagawa T., Zhou S.Y. et al. An unusual isotope effect in a hightemperature superconductor. Letters to Nature. 2004. Vol. 430. Pp. 187-190.
27. Zhou X.Z., Junren Shi., Yoshida T. et al. Multiple bosonic mode coupling in electron self-energy of (La2 _ *Sr*)CuO4. Phys. Rev. Lett. 2005. Vol. 95. Pp. 117001-117004* *
28. Ovchinnikov S.G., Schneider E.I. An effective Hamiltonian for HTS cuprates taking into account the EFV interaction in the mode of strong correlations. JETF. 2005. Vol. 128. Pp. 974-986. (In Rus.)
29. Schneider E.I., Ovchinnikov S.G. Phonon and magnetic pairing mechanisms in high-temperature superconductors in the mode of strong correlations. Letters in JETF. 2006. Vol. 128. Issue 5. Pp. 974-986. (In Rus.)
30. Pintschovius L. Electron-phonon coupling effects explored by inelastic neutron scattering. Phys. Stat. Sol. B. 2005. Vol. 242. Pp. 30-50.
Статья проверена программой Антиплагиат
Рецензент: Раджапов С.А., доктор физико-математических наук; главный научный сотрудник, лаборатория полупроводниковых высокочувствительных датчиков; Физико-технический институт Научно-производственного объединения «Физика-Солнце» Академии наук Республики Узбекистан
Статья поступила в редакцию 10.08.2024, принята к публикации 12.09.2024 The article was received on 10.08.2024, accepted for publication 12.09.2024
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Рахимов Рустам Хакимович, доктор технических наук; заведующий, лаборатория № 1; Институт материаловедения Академии наук Республики Узбекистан; г. Ташкент, Республика Узбекистан. ORCID: 00000001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-код: 30262619; E-mail: [email protected]
ABOUT THE AUTHOR
Rustam Kh. Rakhimov, Dr. Sci. (Eng.); Head, Laboratory No. 1; Institute of Materials Science of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan; Institute of Renewable Energy Sources; Tashkent, Republic of Uzbekistan. ORCID: 0000-0001-6964-9260; Author ID: 1204344; SPIN-code: 3026-2619; E-mail: rustam-shsul@ yandex.com
