Международная группа ученых из России и Франции показала, что декорирование атомами золота атомных ступенек сверхтонких пленок свинца улучшает сверхпроводящие свойства таких образцов.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Исследование может помочь в будущем конструировать миниатюрные джозефсоновские переходы и управлять ими. Научная статья опубликована в журнале Nano Letters.
Для развития квантовых технологий наиболее обещающей стратегией является использование сверхпроводящих материалов и устройств на их основе. Одним из важнейших требований, предъявляемых к подобным устройствам, является их миниатюрный размер. Поэтому изучение свойств сверхпроводящих материалов на наномасштабах и даже на атомарном масштабе привлекает пристальное внимание исследователей. На данный момент существует несколько теорий, которые по-разному предсказывают поведение и свойства сверхпроводящих материалов при ультратонких толщинах. Особенно интересно изучение двумерных материалов (толщина которых в пределе достигает всего одного атома, как в данной работе).
Проведение экспериментов для проверки той или иной теории сильно затруднено из-за того, что на сверхпроводимость может повлиять множество различных факторов, таких как наличие большого числа дефектов, воздействие подложки и загрязнение поверхности. Чтобы минимизировать вредные факторы, все исследования проводятся на самом высокотехнологичном и часто уникальном оборудовании — в данном случае внутри сверхвысоковакуумного низкотемпературного сканирующего зондового микроскопа.
Для исследования ученые взяли 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, где сверхпроводимость может частично или полностью пропадать (пространство между островками или края ступеней). Таким образом, даже такой простой образец может являться 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 поддается точному контролю).
Но физики решили пойти немного дальше изучения «простого» образца свинец-кремний и 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 совершенно наоборот.
«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. Джозефсоновские переходы на данный момент являются одними из основных элементов сверхпроводящей электроники», — комментирует Денис Баранов, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, добавил к этому, что эксперимент стал возможен благодаря специальным техническим ухищрениям. В частности, Денис Баранов изготовил специальный инструмент, помещающийся в модуль сканирования низкотемпературного зондового микроскопа JT-SPM, производства SPECS. Этот инструмент представляет собой держатель, на краю которого выполнены четыре контакта из золотой микропроволоки. При помощи пьезомоторов эти четыре контакта подводились к поверхности ранее приготовленных пленок, после чего измерялось сопротивление 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 изучались уже поверхности на атомном уровне. Таким образом, исследовавтельской группе удалось совместить два экспериментальных метода без разрыва вакуума и в условиях низкой температуры.
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.
В исследовании принимали участие ученые из Высшей школы индустриальной физики и химии Парижа, университетов PSL и Сорбонны в тесной кооперации с сотрудниками Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Высшая школа индустриальной физики и химии Парижа была основана 140 лет назад Пьером и Марией Кюри, всего в ней трудились шесть 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 это элитный центр научных исследований, где в разных областях физики, химии и биологии работают около 1000 ученых: https://www.espci.psl.eu/en/. Примечательно, что эксперименты были проведены в помещении, где когда-то работал Поль Ланжевен.
Центр перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ создан в 2021 году и работает под научным руководством нобелевского лауреата сэра Андрея Гейма. В основе исследований центра лежат современные зондовые и спектроскопические методы. Исследования направлены на получение новых фундаментальных знаний, а также на разработку новых принципов работы квантовых, электронных, спиновых, ионных, молекулярных и других видов устройств. Решается проблема пределов миниатюризации функциональных устройств.