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相位相干时间τψ是介观系统中一个非常重要的物理量,它是指电子能够保持它的相位相干的最大时间刻度。无序导体中,费米液体理论认为,相位相干时间τψ在绝对零度发散。然而,实验发现τψ在极低温下饱和。对于饱和的因为,存在内禀和外禀两种起源的争议。其中,微量的磁性杂质引起的自旋反转散射对低温下电子退相干行为的影响引起了广泛的关注。本论文针对这一问题展开细致讨论。
相位相干时间是通过分析弱局域化磁致电阻获得的。对于这种微弱的磁阻信号的测量,难度较大,一般的桥式电路满足不了测量要求,因此我们对传统的桥式电路进行了改进。该电路主要有两大特点。一是为了克服接触电阻的影响,在电路中引入了电压跟随器。二是为了解决由于电流的微小变化引起的测量结果不准确,在电路中引入仪器放大器。利用此电路,我们测量了220nm厚的金膜的磁阻曲线。在室温下能够得到光滑的经典磁阻曲线,显示了电路极高的灵敏度和分辨率;根据低温低场下的磁致电阻实验数据可以判断此电路的分辨率能够达到1*10-6,较好的满足了纯金体系弱局域效应研究的要求。
对薄膜表面特征和微观结构细致研究,有助于了解薄膜生长规律,从而控制薄膜生长,以获得满足实验要求的薄膜。通过分析颗粒尺寸和表面粗糙度退火前后随膜厚的变化规律,发现磁控溅射沉积的金膜生长规律与二维van der Drift模型一致。薄膜晶格缺陷较少,表面比较平滑。10nm金膜低温片电阻约6欧姆,表明了较低的无序度。
要判定磁性杂质的作用,首先要较准确的获得样品中磁性杂质含量,从而得到磁性杂质引起的自旋反转特征时间τsf,才能比较准确的对磁阻数据进行拟合得到相位相干时间τψ。我们经过分析相同条件下生长的不同厚度Au膜低温下的电阻温度曲线,并结合退火前后电阻温度曲线变化,确定在我们生长的“纯金薄膜”中含有微量的磁性杂质。应用近藤效应理论和磁散射理论,确定样品中磁性杂质Fe的含量约20ppm,近藤温度1K左右。由磁杂质散射理论得到自旋反转特征时间,为低温弱局域效应的分析提供了基础。
利用改进后的电路我们测得了漂亮的金膜的磁阻曲线。通过拟合10nm厚的Au膜低温磁阻曲线,获得了低温下相位相干时间与温度的函数关系。二维拟合公式中的两个特征场Bψ,Bsf是分开的,如果认为退相干因素包括磁性杂质的影响,拟合时,Bsf=0,τψ与温度曲线上显示在3K到0.9K之间出现“平台”。否则,“平台”消失。实验结果表明,由于磁性杂质磁矩导致电子自旋反转使相位相干时间在Kondo温度附近趋于饱和。更低的温度(0.5K-0.9K),可以看出τψ随温度降低有上翘的迹象,这说明饱和应该不是本征的行为。至于0.5K温度以下,退相干时间以怎样的趋势变化,需要对更低温度进一步研究。