Адрес e-mail:

Физики предложили новый вариант наноразмерного сверхпроводящего квантового устройства

Ученые МФТИ с коллегами исследовали сверхпроводящие квантовые устройства на основе одиночных нанокристаллов халькогенидов. Оказалось, что они достаточно чувствительны к малым изменениям магнитного поля. Это свойство перспективно для изготовления квантовых или цифровых сверхпроводниковых вычислительных приборов, а также сенсоров для космических приложений и медицины. Весомо и фундаментальное значение возможности исследования единичных нанокристаллов идеальной формы и различных составов с точки зрения поиска новых квантовых эффектов. Работа опубликована в журнале Communications Materials

В качестве материала для реализации устройства научная группа под руководством Василия Столярова, заместителя заведующего лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах (TQPSS Lab) МФТИ, использовала одиночные кристаллы состава Bi2Te2.3Se0.7, являющегося топологическим изолятором. Такой класс материалов плохо проводит ток внутри своего объема, но зато их тончайший поверхностный слой является хорошо проводящим. Электроны, в зависимости от своего спина, текут по поверхности топологического изолятора в двух различных направлениях и сохраняют свои свойства, несмотря на загрязнения среды и другие эффекты, которые, как правило, влияют на проводимость. 

Обычно небольшие кристаллы топологических изоляторов получают методом эксфолиации, то есть отшелушивая небольшие хлопья от материала. Однако при этом получившиеся кусочки имеют различные форму, толщину и ориентацию кристаллической решетки. Кроме того, на их поверхности могут  быть дефекты, влияющие на движение электронов. Ученые применили метод физического переноса вещества (Physical Vapor Deposition), позволяющий избежать вышеописанных проблем. Сплав Bi2Te2Se в специальном реакторе нагревали на покрытой танталом медной подложке, при этом он испарялся, и его частички, подхваченные потоком инертного газа аргона, переносились на кремниевую подложку (рисунок 1). Поскольку кристаллические решетки кремния и образовавшегося Bi2Te2.3Se0.7 очень разные, рост покрытия происходит не слоями, а с образованием островков.

Рисунок 1. Схема установки для формирования нанокристаллов Bi2Te2.3Se0.7 и микроизображение кремниевой подложки, покрытой нанокристаллами. Источник: Communications Materials

Далее физики напыляли на поверхность металл — ниобий, чтобы создать так называемые джозефсоновские элементы. *

Василий Столяров, заместитель заведующего лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах (TQPSS Lab) МФТИ, рассказывает: «Мы изучили много работ, где исследовались джозефсоновские устройства на основе топологических изоляторов, однако никто не пытался собрать их на отдельных нанокристаллах, выращенных методом физического переосаждения. Основанием не делать такие устройства были доводы о том, что метод осаждения — грязный, и при его использовании сильно зарастает поверхность кристаллов. До сих пор все работали с пленками — либо выращенными методами молекулярно-лучевой эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума, либо полученными эксфолиацией. Несмотря на это, мы решили попробовать и убедились в том, что на поверхности наших нанокристаллов топологически защищенные состояния никуда не исчезают. Они прекрасно себя чувствуют, даже несмотря на адсорбцию продуктов переосаждения на поверхности. Эта работа является вводной в планируемой серии наших  исследований. Следите за дальнейшим развитием событий». 

Рисунок 2. Джозефсоновские элементы и реакция протекающего через них тока на магнитное поле. Источник: Communications Materials

Методами электронно лучевой литографии и магнетронного напыления ученые собрали на подложке несколько ниобиевых конструкций, соединенных через нанокристаллы Bi2Te2.3Se0.7 разного размера и формы (рисунок 2). Во всех этих конструкциях наблюдался эффект Джозефсона — сверхпроводящий ток при низких температурах, когда ниобий переходит в сверхпроводящее состояние. Кроме того, физики исследовали зависимость протекающего тока от величины приложенного магнитного поля и выяснили, что проводимость можно описать с помощью модели баллистического режима транспорта электронов. При нем, в отличие от диффузионного режима, электрон не сталкивается на своем пути с дефектами кристаллической решетки, за счет чего проводимость оказывается гораздо выше.

Рисунок 3. Диффузионный (а) и баллистический (б) режимы транспорта электронов. Источник: Щука А. А.  Наноэлектроника : учебник для бакалавриата и магистратуры / А. А. Щука ; под общей редакцией А. С. Сигова. — Москва : Издательство Юрайт, 2018. — 297 с.

Конструкции, состоящие из соединенных параллельно нанокристаллов, представляют собой СКВИД (от английского SQUID: Superconducting Quantum Interference Device). Если рассматривать конструкцию как замкнутое сверхпроводящее кольцо, в котором присутствуют два джозефсоновских контакта, очевидно, что ток должен разделиться на два потока, каждый из которых пройдет через свой нанокристалл Bi2Te2.3Se0.7, а потом эти потоки вновь соединятся. Если к конструкции приложено внешнее перпендикулярное магнитное поле, то в ней под действием эффекта Мейснера возникнет дополнительный ток. В одном случае его направление будет совпадать с направлением постоянного внешнего тока (по часовой стрелке или против), и в результате токи суммируются. В  противном случае дополнительный ток вычитается из внешнего. В результате две электронные волны будут обладать разными фазами и произойдет интерференция. Таким образом, влияние даже очень слабого магнитного поля будет очень заметно. 

Уникальная чувствительность СКВИДов к магнитному полю позвляет, например,  магнитокардиографам на их основе получать бесконтактным образом кардиограмму сердца ребенка, находящегося в утробе матери.

Результаты, полученные научной группой, открывают путь для фундаментальных исследований когерентных сверхпроводящих гибридов с использованием высококачественных топологических наноматериалов, а также для поиска сверхпроводящих квантовых устройств нового типа.


Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.

* Английский физик Брайан Дэвид Джозефсон в 1962 году доказал теоретически, что между соединенными прослойкой диэлектрика сверхпроводниками может протекать постоянный сверхпроводящий ток даже в отсутствие приложенного напряжения. Если же напряжение приложено, то через контакт, помимо обычного постоянного тока, будет течь переменный сверхпроводящий ток. Это предсказание было весьма необычным и вызвало серьезные споры, однако независимые вычисления других теоретиков показали правильность результатов Джозефсона, а затем они были подтверждены и экспериментально. В 1973 году Джозефсон получил за свое открытие Нобелевскую премию. 



Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2021 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Противодействие коррупции | Сведения о доходах

Политика обработки персональных данных МФТИ

Техподдержка сайта | API

Использование новостных материалов сайта возможно только при наличии активной ссылки на https://mipt.ru

МФТИ в социальных сетях