Електрична несталість в металах та гетероструктурах нормальний метал-надпровідник

 (T)

r^(eff) = (- f/ )r d , (6)

де = h/v_F, r_E = c_{i 0} /l₀ є імовірність додаткового розсіяння назад шаром метала товщини = hv_F / , де c_i - концентрація домішек, - енергія електрона, яка виміряна від енергії Фермі. r^(eff) може розглядатись як ефективна імовірність нормального відбиття електрону від N-S межі. В підрозділі 6.2 надмірний опір R роз-раховано на основі рішення рівняння Больцмана та виразу (6); порівняння отриманого R з експериментом [36] показано на рис.4. Надмірний опір може бути додатковим у багатьох фізичних ситуаціях, і, отже, в цьому випадку перехід надпровідної частини опору супроводжується зменшенням загального опору зразка (опис експериментального спостереження передбаченого ефекту надмірного опору е приведеним в роботах [18-21]).

В підрозділі 6.3 розглядаються електричні автоколивання, які є обумовленими ефектом надмірного опору.

Легко бачити, що якщо при переході частини зразка у над-провідний стан повний опір між вимірювальними контактами збільшується, то при протіканні через зразок струму, близького до критичного струму надпровідника, напруга на вимірювальних контактах буде зменшуватись зі збільшенням величини струму, і, отже, ВАХ зразка має S-подібний вид. За цих умов, як показано в підрозділі 6.3, в зразку є можливим спонтанне виникнення автоколивань струму, напруги і надпровідної щілини.

Заданий струм I₀, який тече через N-S-N структуру, ділиться на дві частини: 1) струм I, який переноситься через N-S межу тими електронами, котрі випробують Андріївське відбиття; 2) ємнісний струм I_C=dq/dt, пов'язаний з нормально відбитими на N-S межі електронами (q - заряд, який накопичується на N-S межі за рахунок нормально відбитих на ній електронів; оцінку величини ємності N-S межі дано в підрозділі 6.4). Звідси виходить, що протікання струму через N-S структуру може бути описаним за допомогою еквівалентної схеми, в якій роль конденсатора ємності С відіграє N-S -подібний вид ВАХ визначається наявністю (і відсутністю) надпровідника, тому третім рівнянням, яке описує еволюцію за часом надпровідного параметра порядку , в дисертації використано рівняння Горькова - Еліашберга, що є правильним поблизу критичної температури надпровідника і при достатньо повільній зміні параметра порядку за часом.

Автоколивання, які обумовлено нормальним відбиттям ковзних електронів від N-S межі, спостерігались в експерименті Ю. Цзяна і О. Шевченка [21], і їхні дані знаходяться у доброї згоді з теоретичними результатами розділу 6.

Розділ 7 - Електрична несталість в низькотемпера-турной провідності нормальних металів, обумовлена квантовими ітерференційними явищами. Електричні несталості, які було розглянуто у попередніх главах, є заснованими на макроскопічних явищах в провідниках, і безпосередньо не є пов'язаними з квантовою інтерференцією в електронній системі. В той же час добре відомо, що за умов квантової інтерференції динаміка електронів є надзвичайно чутливою до слабких змін фаз хвильових функцій. Отже, навіть слабкі електричні поля, змінюючи імпульси електронів, тобто впливаючи на фази їхніх хвильових функцій, можуть приводити до сильно нелінійних явищ в електронній системі нормальних металів. В розділі 7 показано існування в нормальних металах доменної і автоколивальної електричних несталостей, заснованих на гострій фазовій чутливості динаміки електронів.

В підрозділі 7.1 розглядається динамічний механізм виникнення N - подібних ВАХ в нормальному металі за умов когерентного магнітного пробою. В основі цього механізму лежить аномальна мализна періоду P_x (P_x - узагальнений імпульс, який зберігається в магнітному полі) магнітопробійного енергетичного спектра (в полях H 10⁴ 10⁵ величина P_x (10^-5 10^-4)b (b - вектор оберненої решітки) і ширина магнітних зон E h_H. . Із-за цього вже в порівняно малих електричних полях E = (E,0,0) виникають своєрідні квантові уловлювачі. Дійсно, якщо знехтувати розсіянням електронів, то із закону збереження повної енергії E = e E x + E_n(p_z,P_x) і періодичності по P_x закону дисперсії E_n(p_z,P_x) електрону за умов магнітного пробою виходить, що електрони магнітопробійного шару мають бути локалізованими в областях порядку x = E/eE. Легко бачити, що період осциляцій у цих “уловлювачах” T 2hH/eEb. На границі T << * (* - час життя електрону в стаціонарному стані) із-за локалізації електронів в “уловлювачах” магнітопробійний шар вносить в струм j внесок порядку

j = (T/*)^{2 (mb)} E, (7)

тобто струм j виявляється обернено пропорційним E . При подальшому зростанні E внесок замкнутих орбіт починає перевищувати внесок відкритих магнітопробійних конфігурацій, і диференційна провідність j/ E знов стає додатною. Таким чином, квантові уловлювачі приводять до ВАХ N-типу, якщо E > E = h H/cb*. Значення E 10^-6 од. CGSE.

Підрозділ 7.2 - N-подібна ВАХ в провідних здвійникованих пластинах. Квантова інтерференція, яка виникає при багатоканальному дзеркальному відбитті електронів від меж металевої пластини, якісно змінює макроскопічні явища у порівнянні зі звичайним випадком одноканального відбиття [9] . Аналогічні явища існують і в металевій пластині з двійником, який має когерентну межу двійникування, тому що розсіяння електронів за межею двійникування (МД) є двоканальним навіть у випадку простої (але анізотропної) поверхні Фермі електронів. На відміну від випадку багатоканального розсіяння електронів на зовнішніх межах металевої пластини, ВАХ зразка з двійниковою межею, як показано у цьому розділі, може мати падаючу ділянку при достатньо великих E, що приводить до виникнення в них електричних доменів і автоколивань.

В підрозділі 7.2 розглядається ситуація, в якій межі двійникування, зовнішні межі пластини товщиною d і магнітне поле H є паралельними одне одному, а ларморовський радіус R < d << l₀. За умов скін - ефекту (компенсований метал - сильне магнітне поле) і дифузно розсіюючих зовнішніх меж основний внесок в провідність вносять електрони, які зштовхуються з межею двійникування.

На відміну від енергетичного спектру електронів в пластині з багатоканальним дзеркальним відбиттям на межах метал - вакуум [9], рівні енергії електронів за розглядуваних умов виявляються з великою точністю періодичними по P_x з періодом h/R. Із періодичності E_n(P_x,p_z) по P_x виходить, що навіть слабкі електричні поля E , які задовольняють нерівність eE*>h/R, приводять до локалізації електронів вздовж межі двійникування з характерним розміром локалізації h v_F/e E R. Тому струм, зв'язаний з локалізованими електронами, де - звичайна електропровідність при H=0. Таким чином, за розглядуваних умов виникає N-подібна вольт - амперна характеристика і як наслідок - домени електричного поля, які рухаються. При увімкненні зразка в електричне коло з джерелом постійної напруги послідовно з індуктивністю виникають також автоколивання великої амплітуди струму і напруги на зразку з частотою коливань *^-1 (*^-1 << _H); в металі ця частота може досягати 10¹⁰ с^-1.

В підрозділі 7.3 розглядаються умови виникнення доменів електричного поля при багатоканальному розсіянні електронів на межі двійникування і в ситуації магнітного пробою. В металах, на відміну від напівпровідників, просторово неоднорідні розподіли електричного поля E, які виникають на падаючих ділянках N-подібної ВАХ, розвиваються за умов локальної електронейтральності, коли густина струму j=j(t) (t - час) є постійною вздовж всього зразка. При цьому характерні часовий і просторовий масштаби електричного домену дорівнюють, відповідно, (період руху електрону в “уловлювачі”), а швидкість руху електричного домену s v_F 10⁸ см/с.

В розділі 8 - Електрична несталість в S-N-S структурах - передбачено і вивчено ефект гігантських осциляцій кондактансу при зміні різниці фаз між надпровідниками [22,37,38]. Цей ефект приводить до нетривіальної електродинаміки мезоскопічних систем, тому що дисипативний струм, що тече через зразок, виявляється чутливим до різниці фаз між надпровідниками, у той час як сама різниця фаз є надзвичайно чутливою до власного магнітного поля дисипативного струму. В результаті, як показано в розділі 8, вольт - амперна характеристика зразка стає істотно нелінійною з ділянками з від'ємною диференційною провідністю, і, як наслідок, в зразку спонтанно розвиваються зв'язані автоколивання напруги, транспортного струму і струму Джозефсона.

В підрозділі 8.1 приведено аналітичний розрахунок ефекту гігантських осциляцій кондактансу G() як в балістичній, так і в дифузній ситуаціях. Розглядувану конфігурацію показано на рис.5. Між надпровідниками підтримується різниця фаз ; нормальна частина є з'єднаною з двома резервуарами нормальних електронів через потенціальні бар'єри низької прозорості t_{r <<} 1. Між резервуарами підтримується різниця потенціалів V, яка забезпечує транспортний струм I=G()V через нормальну частину S-N-S структури. Як було показано в підрозділі 8.1 ефект гігантських осциляцій зберігається і в дифузних зразках при температурах, менших ніж температура Таулеса. Аналітичний розрахунок кондактансу в термінах амплітуди переходу як суми Фейнманівських квазікласичних шляхів показує, що при нульовій температурі і за відсутності нормального відбиття на N-S межах кондактанс має резонансну форму як в балістичних, так і в дифузних зразках [37,38]:

G()=N(2e²/h) 2 t_r²/(1+cos +2t _r² ) (9)

В реалістичній ситуації Андріївське відбиття супроводжується нормальним відбиттям на N-S межах із-за потенціальних бар'єрів, які там є, або із-за різниці Ферміївських швидкостей в металах гетероструктури. Таке розсіяння звичайно подавлює чутливість електронного спектра до різниці фаз надпровідників. В підрозділі 1 знаходиться кондактанс S-N-S структури з врахуванням нормального розсіяння на N-S межі з амплітудами імовірностей r_A і r_N / відповідно (r_A ²+r_N ²=1) за припущенням r_N << 1.

У відповідності до формули Ладауера - Ламберта струм і кондактанс визначаються імовірністю для електрону із резервуара повернутись в той же резервуар діркою. Ця імовірність може бути представлена як квадрат модуля квазікласичних амплітуд для всіх можливих класичних шляхів електронного (діркового) руху за даної енергії, котрі починаються і закінчуються у підводі до резервуара (див. [38]). При цьому в підрозділі 8.1 показано, що задача визначення імовірності для електрона, який входить, повернутись назад діркою зводиться до резонансного тунелювання через квантовий стан у одномірному ланцюжку бар'єрів з низькою прозорістю, положення яких не упорядковано в просторі. Такі стани, як відомо, є локалізованими, і в розглядуваному випадку інтерес представляють ті з них, котрі є локалізованими навколо ділянки інжекції. Власні рівні цих станів - Андріївські рівні - створюють дискретний спектр, і імовірність T(E, ) резонансного електрон - діркового тунелювання через енергетичний рівень E описується формулою Брейта - Вігнера.

Для знаходження повної імовірності електрон - діркового переходу T^eh (E) необхідно просумовувати T(E, ) по всіх початкових точках квазікласичних траєкторій в резервуарі. Класичні шляхи, які розділяються відстанню більшою ніж _F, зустрічають різні “випадкові” набори домішок, і, отже, їхні довжини шляхів розподілені випадково. Тому підсумовування по початкових точках траєкторій є еквівалентним усередненню імовірності переходу по реалізаціям довжин дифузійних шляхів L_n [38]. Аналітичний розрахунок показує, що за умов ефекту гігантських осциляцій кондактанс S-N-S гетероструктури має вид яскраво вираженого резонансного піку з максимумом при значеннях різниці фаз надпровідників, рівним непарним числам. Порівняння експериментальних [22] і аналітично знайдених залежностей кондактансу від різниці фаз і температури.

Між підводами до резервуарів і нормальною ділянкою кільця є потенціальні бар'єри низької прозорості t_r << 1, так що є виконаними умови виникнення ефекту гігантських осциляцій кондактансу, розглянутого у попередньому розділі. Різниця фаз параметра порядку між двома N-S межами задається потоком магнітного поля , яке пронизує кільце. Між кільцем і ланцюгом транспортного струму (резервуар - підвід - нормальна ділянка кільця - підвід - другий резервуар) є індуктивний зв'язок.

В підрозділі 8.2 виведено повну систему рівнянь, яка описує нестаціонарну електродинаміку надпровідного кільця з транспортним струмом через нормальний сегмент в ньому. Обчислену в підрозділі 8.2 статичну ВАХ схематично представлено на рис.7.

Розрахунок показує, що максимально можлива частота автоколивань досягається за умов ефекту гігантських осциляцій у зразках мезоскопічних розмірів при значеннях індуктивності _eff 10^{- 4} см. В цьому випадку частота автоколивань транспортного струму і різниці фаз параметра порядку надпровідника знаходиться в області частот _max 10¹² с^-1.

У Висновку сформульовано основні результати дисертації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

I. Відкрито і вивчено нелінійне явище в нормальних металах - розвиток несталості однорідного розподілу електричного поля і спонтанної генерації доменів електричного поля, які рухаються, обумовлений аномальною чутливістю кінетики металів до слабких зовнішніх впливів в умовах багатоканального розсіяння електронів 1) при магнітному пробої , 2) при розсіянні на когерентній межі двійникування кристалу, коли динаміка і кінетика електронів має суттєво квантовий інтерференційний характер. Це явище відрізняється від свого напівпровідникового аналога не тільки генезисом ВАХ N-типу, але й тим , що розвиток електричної несталості в металі завжди відбувається при вельми малих напруженостях електричного поля (і струмах високої густини) в умовах локальної електронейтральності зразка.

ІІ. Відкрито і докладно досліджено температурно - електричну доменну, температурно - струмову шнурову і автоколивальну несталості в нормальних металах, які виникають за рахунок джолулева розігріву зразка в області низьких температур, в якій провідність металу має різку температурну залежність.

Вивчено структуру спонтанно виникаючих температурно - електричних доменів, які рухаються, температурно - струмових шнурів і автоколивань струму і температури, і знайдено залежність їхніх параметрів від фізичних характеристик металу. Отримано критерії сталості знайдених доменів, шнурів і автоколивань. Розвинуто адіабатичний підхід, який дозволяє повністю дослідити кінетику температурно - електричних доменів малої амплітуди і автоколивань температури і струму при великих індуктивностях електричного кола. Запропоновано і досліджено два нових фізичних механізмів, які приводять до надшвидкого руху температурно - електричних доменів в нормальних металах та резистивних доменів в надпровідниках. ІІІ. Передбачено і вивчено ефект надмірного опору гібридної структури нормальний метал - надпровідник - нормальний метал (N-S-N структура), при якому перехід надпровідної частини зразка у нормальний стан супроводжується зменшенням повного опору структури, що відкриває нові можливості для виникнення різних нелінійних ефектів. Зокрема, поблизу критичного струму надпровідника вольт - амперна характеристика N-S-N структури має S - подібний вид, і в ній спонтанно розвиваються автоколивання транспортного струму, напруги і параметра порядку надпровідника.

ІV. Теоретично відкрито і докладно досліджено явище гігантських осциляцій кондактансу нормального металу мезоскопічних розмірів, який знаходиться у стиканні з двома або більше надпровідниками. Це явище, з одного боку, відкриває широкі можливості для спектроскопії Андріївських рівнів, а з другої - приводить до нетривіальної електродинаміки мезоскопічних систем, тому що дисипативний струм, який тече через зразок, виявляється аномально чутливим до різниці фаз між надпровідниками, в той час як сама різниця фаз є надзвичайно чутливою до власного магнітного поля дисипативного струму. Зокрема, вольт - амперна характеристика зразка становиться істотно нелінійною з ділянками з від'ємною диференційною провідністю, і в зразку спонтанно розвиваються зв'язані автоколивання напруги, транспортного струму і струму Джозефсона. При цьому максимально можлива частота автоколивань виявляється в важко досяжній іншими методами області частот _max 10¹² с^-1.

Основний зміст дисертації опубліковано у роботах

1. Слуцкин А.А., Кадигробов А.М. Электрические домены в металлах при низких температурах // Письма в ЖЭТФ, 1978, т. 28, №4, С.219 - 222.

2. Слуцкин А. А., Кадигробов А. М. Новый тип квантовых размерных эффектов в металлах при зеркальном отражении электронов от границ образца // Письма в ЖЭТФ, 1980, т. 32, С.363 - 366.

3. Горелик Л.Ю. и Кадигробов А.М О температурной зави-симости кинетических коэффициентов сверхпроводников в про-межуточном состоянии // ФНТ, 1981, т. 7, С.131 - 134.

4. Кадигробов А.М., Слуцкин А.А., Кривошей И. В. Темпера-турно-электрические домены в металлических проводниках // ЖЭТФ, 1984, т. 807, № 4(10), C.1314-1329.

5. Кадигробов А. М., Кошкин И. В. Когерентные кинетика и термодинамика в проводящих сдвойникованных пластинах // ФНТ, 1986, т. 12, № 4, С.437 - 440.

6. Кадигробов А. М., Цзян Ю. Н., Логвинов И. И. Температурно - электрические автоколебания в металлах с отрицательной дифференциальной проводимостью // ФНТ, 1986, т. 12, № 2, С.211-214.

7. Кадигробов А. М., Цзян Ю. Н., Логвинов И. И. Нелинейные колебания тока и температуры в проводниках с N-образной ВАХ // ФTT, 1986, т. 28, № 11, С.3380 - 3388.

8. Цзян Ю. Н., Логвинов И. И., Кадигробов А.М. Релакса-ционные температурно-электрические автоколебания в индуктивно разогреваемых проводниках. // ФНТ, 1986, т. 12, №12, С.1248 - 1254.

9. Кадигробов А. М. Сопротивление N - S границы, обус-ловленное "скользящими" электронами, и S - образная вольт-амперная характеристика // ФНТ, 1988, т. 14, С.427- 430.

10. Obolenskii M. A., Bondarenko A. V., Kadygrobov A. M., Mironov O. A., Chistiakov S. V., Skrylev I. Yu., and Petrusenko Yu. T. Anomalous anisotropic current-voltage characteristics and magnetic resistance of single crystals YBa₂ Cu₃O_7- // Proceeding of the LT 19 Satellite Conference "High Temperature Superconductivity" edited by J. Evetts, 1990, p. S298-S300.

11. Бондарь В. А., Кадигробов А. М., Моргун В. Н., Чеботаев Н. Н. S-образные вольт-амперные характеристики в -олове в сильных магнитных полях // Металлофизика, 1991, т. 13, С.49-53.

12. Моргун В. Н., Бондарь В. А., Кадигробов А. М., Чеботаев Н. Н. Температурно - токовые шнуры в металле в сильном магнитном поле. // ФТТ, 1992, т. 35, С.59 - 64.

13. Кадигробов А. М. Многократное рассеяние электрона на примеси и N-S границе. Отрицательная дифференциальная про-водимость N-S-N системы // ФНТ, 1993, т. 19, С.943 - 945

14. Кадигробов A.M., Слуцкин А. А. Сверхбыстрые темпера-турно-электрические домены в металлах // ФНТ, 1994, т. 20, С.283 - 285.

15. Kadigrobov A., Zagoskin A., Shekhter R. I., and Jonson M. Giant conductance oscillations controlled by supercurrent flow through a ballistic mesoscopic conductor // Phys. Rev. B, 1995, v. 52, №12, p. R8662 - 8665.

16. Kadigrobov A., Shekhter R.I., Jonson M. Excess resistance effect in a normal metal contacting a superconductor // Physica B, Condensed Matter, 1996, v. 218, p. 134 - 137.

17. Blom H.A., Kadigrobov A., Zagoskin A.M., Shekhter R.I., and Jonson M. Dissipative electron transport through Andreev interferometers // Phys. Rev. B, 1998, v.57, p. 9995 - 10 016.

18. Kadigrobov A. Superfast motion of resistive domains in ani-sotropic superconductors caused by eddy currents // Journal of Physics: Cond. Matter, 1999, v. 11, p. 2619 - 2624.

19. Kadigrobov A. Temperature - Current Filament Instability in a Plate of Anisotropic Normal Metal // Physica Status Solidi (b), 1998, v. 207, p. 437 - 447.

20. Kadigrobov A., Gorelik L.Y., Shekhter R.I., and Jonson M. Resonant tunneling through Andreev levels. // Superlattices and Microstructures 1999, v. 25, № 5/6, p. 764-771.

21. Кадигробов А. М. К вопросу возникновения связанных состояний в эффекте Кондо // ФНТ, 1975, т. 1, С420-427.

22. Ivanov Z., Shekhter R., Kadigrobov A., Claeson T., Jonson M. Patent “Superconducting transistor” № 9804088 registered 27 November 1998.

АНОТАЦІЇ

Кадигробов Анатолій Михайлович. Електрична несталість в металах та гетероструктурах нормальний метал - надпровідник. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико - математичних наук за спеціальністю 01.04.02 - теоретична фізика. Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б. І. Вєркіна НАН України. Харків, Україна, 1999.

В дисертації відкрито і досліджено спонтанну генерацію доменів електричного поля, які рухаються, струмових шнурів і електричних автоколивань в нормальних металах в умовах магнітного пробою, при розсіянні електронів на межі двійника і при джоулевому розігріві в області низьких температур. Запропоновано і досліджено два фізичних механізми, які приводять до надшвидкого руху температурно - електричних доменів.

Передбачено і досліджено ефект надмірного опору структур нормальний метал-надпровідник-нормальний метал, який приводить до розвитку автоколивань транспортного струму, напруги і параметра порядку надпровідника.

Відкрито і докладно досліджено явище гігантських осциляцій кондактанса в структурах надпровідник-нормальний провідник-надпровідник, яке приводить до спонтанного розвитку автоколивання напруги, транспортного і Джозефсонівського струмів. Максимально можлива частота автоколивань ~ 10¹² с^-1.

Кадигробов Анатолий Михайлович. Электрическая неустойчивость в металлах и гетероструктурах нормальний металл - сверхпроводник. Рукопись. В диссертации открыта и исследована спонтанная генерация движущихся доменов электрического поля, токовых шнуров и электрических автоколебаний в нормальных металлах в условиях магнитного пробоя, при рассеянии электронов на границе двойникования и при джоулевом разогреве в области низких температур. Предложены и исследованы два физических механизма, приводящие к сверхбыстрому движению темературно-электрических доменов.

Предсказан и изучен эффект избыточного сопротивления структур нормальный металл-сверхпроводник-нормальный металл, приводящий к развитию автоколебаний транспортного тока, напряжения и параметра порядка сверхпроводника.

Открыто и исследовано явление гигантских осцилляций кон-дактанса в структурах сверхпроводник-нормальный проводник-сверхпроводник, приводящее к спонтанному развитию автоколе-бания напряжения, транспортного и Джозефсоновского токов. Максимально взможная частота автоколебаний 10¹² сек^-1.

Kadigrobov A. M. Electric instability in metals and normal metal-superconductor heterostructures. Manuscript.

In the thesis, electric instabilities result in spontaneous generation of moving electric domains, current filaments and dissipative self-oscillations are predicted and investigated in normal metals and normal conductor-superconductor heterostructures. This phenomenon differs from its superconductor analogue not only in the genesis of the non-linear CVC having a negative differential conductivity but in that the instability develops under weak electric fields and large currents. New physical effects that provide the basis for some types of electric instabilities in these materials are suggested and studied.

In normal metals two types of physical mechanisms resulting in the CVC with a negative differential conductivity are shown to take place. One of them is of the quantum nature. It is based on the super-high sensitivity of electron kinetics to the effect of relatively weak external fields under conditions of a) the coherent magnetic breakdown and b) the two-channel scattering of electrons at coherent twin boundaries. The second type is of a macroscopic character: N- and S- shaped CVC occur due to Joule heating of the metal up to the temperatures at which the resistivity is mainly determined by the electron-phonon interaction and therefore increases with an increase in the electric field. The structure of the mobile electric domains and current filaments under such conditions is investigated and the dependence of the parameters of physical characteristics of the metal is found. The criteria for TED stability are found. Two new physical mechanisms of superfast motion of TED in anisotropic metals and resistive domains in superconductors are suggested and studied. It is also shown that thermal-electric self-oscillations can be generated in normal metals under the Joule heating.

An excess resistance effect in normal metal-superconductor-normal metal heterostructures is predicted and investigated. Under this effect the transition of the superconducting part of the sample into the normal state causes a decrease in the total resistance of the structure. As a result, in the vicinity of the superconductor critical current the CVC of the structure is S-shaped that causes spontaneous arising of self-oscillations of the transport current, voltage, and the superconductor order parameter.

A phenomenon of giant conductance oscillations with a change in the phase difference between the superconductors in superconductor - normal conductor - superconductor structures is discovered and investigated. The amplitude of these oscillations exceeds the one of the analogous Aharonov-Bohm oscillations in normal metal rings by several orders of magnitude. This phenomenon opens up fresh opportunities for spectroscopy of Andreev levels and on the other hand, it leads to non-trivial electrodynamics of mesoscopic systems because the dissipative current through the normal part turns out to be extremely sensitive to the superconductor phase difference while the phase difference itself is extremely sensitive to the proper magnetic field of the dissipative current. In particular, the CVC becomes substantially non-linear having loops in its curve. As a result, self-oscillations of the voltage dissipative and Josephson currents spontaneously arise. The frequency of these self-oscillations can be varied in a wide range while in mesoscopic samples the maximal possible frequency occured to be of the order of 10¹² sec^-1 that is extremely difficult to get by other methods.

The following predictions and conclusions made in this thesis have already been confirmed in experiments. 1) The TED instability resulting in arising of domains of the electric field and temperature in normal metals at low temperatures. 1) Dissipative self-oscillations of the current, voltage, and temperature under Joule heating of the normal metal at low temperatures. 3) The temperature-current filament instability. 4) A decrease in the total resistance of a normal conductor-superconductor-normal conductor structures after transition of the superconducting part of that into the normal state. 5) Dissipative self-oscillations of the current, voltage, and the superconductor order parameter in N-S-N structures in the vicinity of the superconductor critical current. 6) The giant amplitude of conductance oscillations with a change in the phase difference between the superconductors in S-N-S structures. This phenomenon was observed for both diffusive and ballistic normal parts of the structure. Comparison of experimental data and theoretical calculations made in the thesis shows a good agreement between the experiment and the theory.

Размещено на Allbest.ru