Ученые из Высшей школы промышленной физики и химии Парижа, университетов PSL и Сорбонны в тесной кооперации с сотрудниками Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ продолжают исследования в области квантовых технологий. Они показали, что атомы золота могут улучшать сверхпроводящие свойства атомно-тонких слоев свинца. Это исследование может помочь в будущем конструировать миниатюрные джозефсоновские переходы и управлять ими. Работа опубликована в журнале Nano Letters.

Атомы золота улучшили сверхпроводящие свойства сверхтонких пленок свинца. Источник: Nano Letters

Атомы золота улучшили сверхпроводящие свойства сверхтонких пленок свинца. Источник: Nano Letters

 

Использование сверхпроводящих материалов и устройств на их основе – наиболее обещающая стратегия для развития квантовых технологий. Одно из важнейших требований, предъявляемых к подобным устройствам, – это их миниатюрный размер. Поэтому ученые заинтересованы в исследовании свойств сверхпроводящих материалов на наномасштабах и даже на атомарном масштабе. Особенно интересно изучение этого эффекта в двумерных материалах (толщина которых в пределе достигает всего одного атома, как в данной работе). Сегодня существует несколько теорий, которые по-разному предсказывают поведение и свойства сверхпроводящих материалов при таких ультратонких толщинах.

Наличие большого числа дефектов, воздействие подложки, загрязнение поверхности и другие факторы могут повлиять на сверхпроводимость, из-за этого экспериментально проверять ту или иную теорию затруднительно. Чтобы минимизировать вредные факторы, все исследования проводятся на самом высокотехнологичном и часто уникальном оборудовании – в данном случае внутри сверхвысоковакуумного низкотемпературного сканирующего зондового микроскопа.

«Мы показали, что атомы золота могут улучшать сверхпроводящие свойства атомно тонких слоев свинца. Это интересный пример контроля и управления характеристиками объекта на атомарном уровне. Наши исследования носят фундаментальный характер, и пока это не заявка на прикладное применение или какое-либо изобретение. Но этот результат в будущем мы сможем использовать, например, для более качественного и точного исследования и создания джозефсоновских переходов нано- и даже атомарных размеров, а джозефсоновские переходы на данный момент являются одними из основных элементов сверхпроводящей электроники»,  —  комментирует исследования Денис Баранов, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, соавтор публикации.

Ученые изучили атомные монослои свинца, выращенные на кремниевой подложке. Так как свинец является сверхпроводником при низких температурах и, как правило, при напылении растет либо островками, либо ступеньками, то получившийся образец представляет из себя систему, в которой есть как сверхпроводящие области (сами островки и поверхность ступеней), так и области, в которых сверхпроводимость может частично или полностью пропадать (пространство между островками или края ступеней). Таким образом, даже такой простой образец может стать в некотором роде системой из сотен и даже тысяч джозефсоновских переходов – основных компонентов в большинстве сверхпроводящих устройств (правда, такие переходы в данном случае хаотичны, и их положение и переключение не поддаются точному контролю).

Группа ученых из России и Франции пошла немного дальше изучения «простой» системы свинец-кремний и решила провести серию исследований по изучению влияния атомов золота на такую систему. Золото не является сверхпроводником, поэтому выводы из классической теории сверхпроводимости подразумевают, что сверхпроводящие свойства будут проявляться в меньшей степени или вовсе могут исчезнуть из-за его влияния. Однако все оказалось с точностью до наоборот.

Эксперимент стал возможен благодаря специальным техническим ухищрениям. В частности, Денис Баранов создал специальный инструмент, помещающийся в модуль сканирования низкотемпературного зондового микроскопа. Он представляет собой держатель, на краю которого из золотой микропроволоки были изготовлены четыре контакта. При помощи пьезомоторов эти четыре контакта подводились к поверхности ранее приготовленных пленок, после чего проводилось измерение сопротивления в зависимости от температуры. Примечательно, что исследование проводилось в условиях сверхвысокого вакуума, благодаря чему поверхности не были подвержены процессам окисления. Затем, после транспортных измерений, инструмент менялся на зонд для сканирующей туннельной микроскопии и проводились уже исследования поверхности на атомном уровне. «Таким образом, нашей группе удалось совместить два метода исследований без разрыва вакуума и в условиях низкой температуры, что открывает большие перспективы с точки зрения исследования физических свойств двумерных систем, разрушающихся в естественных условиях», комментирует Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, соавтор публикации.

С помощью сканирующей туннельной микроскопии, спектроскопии, а также электронно-транспортных измерений физики обнаружили, что декорирование ступенек свинца на кремнии с помощью атомов золота приводит к более сильной связи между ними и улучшает сверхпроводящие свойства образца. Переход к сверхпроводимости в «позолоченных» монослоях свинца происходит при более высоких температурах.

***

Высшая школа индустриальной физики и химии Парижа была основана 140 лет назад Пьером и Марией Кюри, всего в ней трудились 6 нобелевских лауреатов. В этой Школе была открыта радиоактивность (Кюри), придуман сонар и развита теория магнетизма (Ланжевен), построены первый диффузионный насос и пузырьковая камера (Шарпак), открыты новые крупные научные направления (де Жен). Сегодня Школа – это элитный центр научных исследований, в котором в разных областях физики, химии и биологии работают около 1000 ученых. Примечательно, что эксперименты были проведены в помещении, где когда-то работал Поль Ланжевен.

 

Информация предоставлена пресс-службой Минобрнауки России

Источник фото: пресс-служба МФТИ