Наноструктуровані надпровідні матеріали
М. Ю. Михайлов (кер. групи), О. І. Юзефович, С. В. Бенгус
Ми вивчаємо штучні шаруваті і гранульовані надпровідні системи, які складаються із шарів і зерен низької вимірності.
Явища :
- внутрішній пінінг та вихорова ґратка багатошарових структур
- крип магнітного потоку
- перехід надпровідник-ізолятор
- аномальний гістерезис ВАХ
Об’єкти досліджень :
- аморфні плівки MoSi і WSi
- гетероструктури AIVBVI
- надґратки метал-ізолятор
- золь-гель гранульовані плівки
Надпровідникові нанодротові детектори одиночних фотонів (SNSPD)
Надпровідникові нанодротові детектори одиночних фотонів є високоефективними детекторами фотонів видимого та ближнього інфрачервоного світла. Ці детектори виготовляються у вигляді згорнутих у меандр нанодротів, наноструктурованих з ультратонких надпровідних плівок. В даний час вибір надпровідних матеріалів, придатних для виготовлення SNSPD детекторів, є дуже обмеженим. Ультратонкі плівки завтовшки кілька нанометрів, на основі яких виготовляється детектор, повинні бути суцільними і мати гарні надпровідні властивості. З усіх досліджених на даний час для використання в якості SNSPD надпровідних матеріалів, тільки SNSPD детектори, виготовлені з нанокристалічних матеріалів NbN, NbTiN і аморфних ультратонких плівок WSi мають властивості, що дозволяють їх використовувати у практичних застосуваннях. Але у детекторах на основі NbN і NbTiN дуже важко досягнути високої квантової ефективності, а детектори на основі WSi можуть працювати лише при глибокому (1K) охолодженні, і тому пошук нових надпровідних матеріалів для SNSPD є важливим науковим завданням.
Ми беремо участь у
розробці нових матеріалів для SNSPDs. Ми дослідили надпровідні властивості
ультратонких аморфних плівок молібден-кремній і вольфрам-кремній. Вперше, ми розробили ефективний надпровідний
однофотонний детектор, виготовлений з аморфної плівки MoSi. Ми розробили
технологію осадження ультратонких плівок MoSi і WSi методом магнетронного розпорошування одночасно з двох мішеней на
підкладку, що обертається.
Критичну температуру отриманих ультратонких аморфних плівок можливо варіювати у
широкому діапазоні шляхом зміни товщини або стехіометричного складу плівки. Особливо важливим для наступних літографічних процесів
наноструктурування є можливість рівномірного по товщині осадження на великих
підкладках. Ми змогли продемонструвати квантову ефективність 18% на довжині
хвилі 1200 нм при 1.8K, час відгуку 6 нс і джиттер 120 пс для SNSPDs на основі
MoSi плівок.
Генерація мікрохвильового випромінювання Абрикосівськими вихорами у надпровідних багатошарових наноструктурах молібден/кремній
Спільно із колегами з Харківського Національного університету ім. В.Н. Каразіна, німецькими та ізраїльськими колегами (Goethe University, Frankfurt am Main, Germany, The Racah Institute of Physics, The Hebrew University of Jerusalem, Israel) експериментально виявлено електромагнітне випромінювання, що породжується рухомими вихорами у надпровідниках.
Надпровідність – унікальне квантове явище, властиве багатьом матеріалам при низьких температурах. Унікальні властивості надпровідників широко використовуються – від побудови потужних магнітів для Великого адронного коллайдеру і медичних систем магніторезонансної томографії до створення надчутливих сенсорів магнітного поля і електромагнітного випромінювання. Відмінною ознакою надпровідних матеріалів є нульовий опір постійному електричному струму і ідеальний діамагнетизм – зовнішнє магнітне поле або повністю виштовхується з надпровідника або, як відкрив український фізик Лев Шубніков, проникає у переважну більшість надпровідників у вигляді квантів магнітного потоку – так званих вихорів. В однородному надпровіднику вихори розташовані періодично і утворюють вихорову ґратку. При протіканні через надпровідник електричного струму вихори рухаються під дією сили Лоренца. Будь-які дефекти і недосконалість структури надпровідного матеріалу є перешкодою для руху вихорів, виникає їх “прив’язування” до дефекту.
Раніше у роботах американських і німецьких фізиків (L.N. Bulaevskii і E.M. Chudnovsky; O.V. Dolgov і N. Schopohl) було теоретично передбачено явище електромагнітного випромінювання при перетині вихоровою ґраткою поверхні надпровідника. Рух надпровідних вихорів супроводжується осциляціями електричного і магнітного полів, які можуть поширюватися у простір при перетині вихорами меж надпровідника. Однак, таке випромінювання досі експериментально не спостерігалося, так як його виявлення є надскладною експериментальною проблемою. По-перше, розрахунки показують, що для важливого для практичних застосувань мікрохвильового діапазону випромінювання потрібна просторова модуляція властивостей надпровідника на наномасштабах (товщинах матеріалу, менших за 100 нанометрів), а по-друге – для посилення випромінювання необхідно забезпечити когерентний рух всієї вихорової ґратки крізь надпровідник, лише тоді створюються умови для конструктивної інтерференції випромінювання від кожного вихору.
У нашій експериментальній роботі цю проблему вдалося вирішити завдяки дослідженню надпровідних властивостей багатошарового матеріалу (надґратки), який складається із 50 почергово осаджених пар шарів молібдену (Mo) і кремнію (Si) із товщинами шарів, сумірними із розмірами надпровідних вихорів – 2.2 нанометри для шару Mo, 2.8 нанометри для шару Si. Електромагнітне випромінювання зареєстровано при прикладенні паралельно шарам надґратки певних магнітних полів, що призводить до виникнення регулярної вихорової ґратки, період якої в ортогональному шарам напрямку є сумірним із періодом надґратки – 5нм (сума товщин шарів Mo і Si).
Проведене дослідження закладає основи для створення керованих транспортним струмом і прикладеним магнітним полем надзвичайно широкосмугових генераторів мікрохвильового випромінювання на основі надґраток надпровідник/ізолятор, які перекриватимуть діапазон від звичайних радіочастотних осциляторів до терагерцових генераторів на ефекті Джозефсона. Результати дослідження опубліковані у впливовому науковому журналі Nature Communications.
М.Ю. Михайлов (M.Yu. Mikhailov), О.І. Юзефович (O.I. Yuzephovich)
Надпровідні гетероструктури AIVBVI
Структура
Гетероструктури виготовлено з халькогенідних сполук: PbS, PbSe, PbTe, YbS, YbSe, YbTe, EuS, EuSe, EuTe. Це напівпровідники з кристалічною структурою NaCl-типу. Різниця в періоді кристалічної ґратки автоматично компенсується через формування сітки дислокацій невідповідності на інтерфейсі між шарами під час виготовлення. Період сітки змінюється від 5,2 до 23нм в залежності від комбінації напівпровідників у гетероструктурі.
Провідність
Якщо хоча б один з напівпровідників є вузькозонним, то пружня напруга уздовж дислокаційних ліній призводить до перебудови енергетичного спектру носіїв заряду - через інверсію валентної зони та зони провідності дислокаційна сітка набуває металічних властивостей.
Надпровідність
Ці гетероструктури переходять у надпровідний стан з критичною температурою Tc ≤ 6,5K. Надпровідність притаманна тільки гетероструктурам, тоді як окремі шари, що їх формують, є напівпровідниками.
Вимірність
Вимірність та період самоорганізованих інтерфейсних наноструктур можна змінювати шляхом вибору типу напівпровідників, товщини шарів та їх кількості. Можна виготовити наступні структури:
- масиви квантових точок з слабкими джозефсонівськими зв’язками;
- безперервні надпровідні сітки;
- квазі-3D структури – багатошарові об’єкти.
Вимірність і анізотропію цих надпровідних наноструктур добре видно з поведінки верхніх критичних магнітних полів. Надґратки демонструють 3D-поведінку поблизу Tc, а зі зниженням температури спостерігається кросовер до 2D-поведінки. Критичні магнітні поля двохшарових гетероструктур більш анізотропні – спостерігається перехід від 2D- до 1D-поведінки. Різка розбіжність у залежностях перпендикулярних критичних магнітних полів є характерною властивістю надпровідних наносіток.
Перехід надпровідник-ізолятор
Надпровідна сітка на інтерфейсі двохшарових гетероструктур з тонкими шарами не є суцільною і подібна до джозефсонівського середовища. В цьому випадку спостерігаються ознаки індукованого магнітним полем квантового переходу надпровідник-ізолятор. А саме: віяловий набір залежностей R (T ), записаних в різних магнітних полях, та перетин кривих R (B ) при різних температурах.
