Отдел сверхпроводящих и мезоскопических структур

Перейти к контенту

Главное меню:

История нашего отдела
Возраст Отдела совпадает с возрастом самого Института. Он был создан в 1960 году как отдел «Низкотемпературной электроники». Это было действительно яркое предвидение. После того, как Б. Джозефсон придумал свои знаменитые эффекты в 1962 году, которые открыли новую эру сверхпроводниковой электроники, молодые исследователи Отдела были первыми в мире, кто смог непосредственно измерить микроволновое излучение из сверхпроводящего туннельного контакта в 1965 году. Также, первый в СССР ПТ СКВИД-магнитометр был создан здесь в 1967 году. Целый ряд результатов мирового значения был получен талантливыми и хорошо образованными учеными Отдела за прошлые годы. Некоторые из них вы найдете ниже в подразделах «Важнейшие результаты» и «Другие важные достижения». Отдел дал начало 10 специализированным отделам за первые 20 лет своего существования. Профессор Игорь Михайлович Дмитренко, академик Национальной Академии наук Украины, был основателем и первым руководителем Отдела до 2000 года, после чего ушел на пенсию. Профессор Александр Николаевич Омельянчук, член-корреспондент Национальной Академии наук Украины, занял эту должность и руководил Отделом до июня 2016 года. Дальше, продолжая работать, он решил передать «факел руководства» более молодому ученому, Сергею Николаевичу Шевченко, доктору физико-математических наук.
Ниже вы найдете результаты, которые получены сотрудниками Отдела на протяжении первого полстолетия своего существования (1960-2010 гг).

Важнейшие результаты
Первое экспериментальное наблюдение электромагнитного излучения из джозефсоновского туннельного контакта (нестационарный эффект Джозефсона). Было продетектировано излучение из туннельного контакта Sn‑SnOx‑Sn мощностью около 10-14 Вт на частоте 9,8 ГГц (И. К. Янсон, В. М. Свистунов, И. М. Дмитренко, 1965).     
Был экспериментально обнаружен новый тип интерференции, которая была вызвана превращением переменного транспортного тока в напряжение постоянного тока в несимметричном интерферометре и проявлялась в периодической знакопеременной зависимости от внешнего магнитного поля (С. И. Бондаренко, И. М. Дмитренко, 1968).     
Открытие квантования магнитного потока в нормальных металлах, квантовые когерентные эффекты при T > Tc (А. А. Шабло, И. М. Дмитренко, И. О. Кулик, 1969). Осцилляции проводимости пустотелых Al тонких цилиндров наблюдались при температурах вплоть до 8 К (>5Tc ).      
Экспериментально обнаружено отклонение ток-фазового соотношения от чисто синусоидального в джозефсоновских точечных контактах при изучении ступеней Шапиро под действием СВЧ излучения. Был предложен алгоритм реконструкции реального ток-фазового соотношения в форме ряда Фурье для переходов с сильной джозефсоновской связью (И. М. Дмитренко, Ю. Г. Бевза, В. И. Карамушко, 1973).      
Теория микроконтактной спектроскопии металлов (И. О. Кулик, А. Н. Омельянчук, Р. И. Шехтер, 1974-1978).
Зарегистрировано как открытие (СССР, 1986, Свидетельство №328).
ФНТ 3, 1543 (1977).  
Первые экспериментальные наблюдения нелинейных свойств смешанного динамического состояния в тонких пленках, предсказанные теорией Ларкина-Овчинникова (И. М. Дмитренко, В. Г. Волоцкая, Л. Е. Мусиенко, 1975).      
Первые исследования четырехтерминальных джозефсоновских микромостиков («микрокрестиков»), управляемых дополнительным поперечным или параллельным транспортным током (Ю. Г. Бевза, В. И. Карамушко, 1976-78).   
Построена теория мезоскопических слабых связей (И. О. Кулик, А. Н. Омельянчук, 1978).
ФНТ 3, 945 (1977) [Sov. J. Low Temp. Phys. 3, 840 (1977)], ФНТ 4, 296 (1978) [Sov. J. Low Temp. Phys. 4, 142 (1978)]
Разработан метод низкотемпературной лазерной сканирующей микроскопии (В. А. Коноводченко, А. П. Журавель, В. Г. Ефременко, Б. Б. Бандурян, А. Г. Сиваков, П. А. Гриб, О. Г. Турутанов, А. М. Глухов, 1986-2016).   
Открыто новое неравновесное резистивное состояние в широких сверхпроводящих тонких пленках. Введена концепция «линий проскальзывания фазы», которые являются двумерным аналогом центров проскальзывания фазы (И. М. Дмитренко, В. Г. Волоцкая, А. Г. Сиваков, 1981). – Государственная премия в 2000 г. как часть более широких исследований.     
Фазовый переход с образованием ЛПФ в однородной широкой сверхпроводной полоске был визуализирован с помощью низкотемпературного сканирующего лазерного микроскопа (А. Г. Сиваков, А. М. Глухов, А. Н. Омельянчук, 2003).   
Макроскопическое квантовое туннелирование (МКТ) и макроскопическое резонансное тунелирование (МРТ) в сверхпроводном кольце ВЧ СКВИДа с джозефсоновским ScS контактом малых размеров было продемонстрировано экспериментально (В. И. Шнырков, В. А. Хлус, Г. М. Цой, И. М. Дмитренко, 1985).
ФНТ 11, 146 (1985) [Sov. J. Low Temp. Phys. 11(2), 77 (1985)]
Явление макроскопической квантовой суперпозиции состояний ВЧ СКВИДа с ScS контактом атомных размеров было обнаружено в эксперименте (В. И. Шнырков, Г. М. Цой, Д. А. Конотоп, И. М. Дмитренко, 1985-1991). [I. M. Dmitrenko, G. M. Tsoi, V. I. Shnyrkov. Quantum decay of metastable current states of a superconducting interferometer. Proceedings of 2nd All-USSR meeting “Quantum metrology and fundamental physical constants”, NPO VNIIM, Leningrad, 1985, 81; V. I. Shnyrkov, G. M. Tsoi, D. A. Konotop, I. M. Dmitrenko. Anomalous Behaviour of RF-SQUIDs with S-c-S contacts of small area. Proc. of the 4th International Conference SQUID’91 (Sessions on SET and Mesoscopic Devices), Berlin, Fed. Rep. of Germany, June 18-21, 1991, 211-217]
Предложена концепция и сделано первое теоретическое описание новейших устройств считывания для квантовых измерений, которые основаны на кубите (ВЧ СКУБИД) и кутрите (ВЧ СКУТРИД) (В. И. Шнырков, О. Г. Турутанов в сотрудничестве с коллегами из другого института, 2012).   
Впервые экспериментально доказано электронное спаривание в высокотемпературном сверхпроводнике (YBCO) (Б. И. Веркин, С. И. Бондаренко, В. М. Дмитриев, В. П. Семиноженко, А. В. Лукашенко, А. А. Шабло, 1987).
[Sov. J. Low Temp. Phys. 13, 568 (1987)]
Теоретически исследован транспорт постоянного тока в длинных диффузионных SNS контактах с произвольной прозрачностью NS интерфейсов. Сформулирован новый теоретический подход к анализу некогерентного режима многократных андреевских отражений в диффузионных структурах в терминах эквивалентной электрической сети в энергетическом пространстве - аналога известного подхода Клапвийка-Блондера-Тинкхама для баллистических структур. Введен новый элемент теории "андреевский резистор", заменяющий понятие вероятности андреевского отражения для диффузионных структур (Е. В. Безуглый в сотрудничестве с коллегами из института и зарубежья, 2000).   

Другие важные достижения

1960-1969
Разработан первый в СССР сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД) (С. И. Бондаренко, И. М. Дмитренко, 1967).
• Сделаны первые исследования джозефсоновских свойств слабых связей S-N-S и основанных на них квантовых интерферометров (С. И. Бондаренко, И. М. Дмитренко, 1969).

1970-1979
• Впервые исследованы сверхпроводящие полосковые резонаторы с одним и двумя точечными контактами Джозефсона (С. И. Бондаренко, И. М. Дмитренко, Т. П. Нарбут, 1970).
Теоретическое исследование термомагнитных и магнитоакустических размерных эффектов в промежуточном состоянии сверхпроводников I рода, которые возникают благодаря андреевскому отражению квазичастиц от межфазных границ (Е. В. Безуглый, 1971-1979).
• Впервые экспериментально исследовано движение интерфейса нормальный металл-сверхпроводник под действием малого градиента температуры в сверхпроводящем магнитном пустом цилиндрическом экране, достигнут полный эффект Мейснера и рекордный магнитный вакуум (С. И. Бондаренко, В. И. Шеремет, 1973).
• Впервые в СССР изготовлены и исследованы сверхпроводящие тонкие пленки ниобий-германий с наивысшей (до 1986 года) критической температурой (С. И. Бондаренко, М. М. Лебеда, 1975).
• Исследование классической динамики в квантовом интерференционном устройстве (ВЧ СКВИДе): гистерезисный и безгистерезисный режимы, адиабатический, равновесный и неадиабатический пределы, влияние времени релаксации, стохастические осцилляции и хаос, термические флуктуации, улучшение энергетического разрешения ВЧ СКВИДа вплоть до квантового предела, применение низко- и высокотемпературных ВЧ СКВИДов в физическом эксперименте (В. И. Шнырков, Г. М. Цой, В. А. Хлус, Д. А. Конотоп, И. М. Дмитренко, 1975-1982).
Впервые в СССР разработан и испытан в полевых условиях трехкомпонентный (XYZ) СКВИД-магнитометр для наземных геофизических работ (Б. И. Веркин, С. И. Бондаренко, В. В. Кравченко, Е. А. Голованев, Е. М. Тильченко, П. П. Павлов, 1977).

1980-1989
• Первый прототип низкотемпературного лазерного сканирующего микроскопа (В. А. Коноводченко, А. П. Журавель, В. Г. Ефременко, Б. Б. Бандурян, 1980).
• Численным расчетом обнаружен и экспериментально исследован механизм ограничения стимуляции сверхпроводимости СВЧ полем в эффекте Элиашберга (Ю. Г. Бевза, В. И. Карамушко, И. М. Дмитренко, О. Г. Турутанов, 1980).
• Экспериментально открыт аномальный (нетепловой) гистерезис на вольт-амперных характеристиках тонких гранулированных пленок ванадия как «джозефсоновских сред» в магнитных полях (Ю. Г. Бевза, О. Г. Турутанов, 1980).
• Предсказание и исследование электронных коллективных мод в нормальных металлах и сверхпроводниках: моды Карлсона-Голдмана, нулевой звук и диффузионные моды, магнитоплазменные и пучковые волны, квазиволны и солитоны (Е. В. Безуглый, в сотрудничестве с учеными ФТИНТ, 1981-2011).
• Разработаны впервые в СССР тонкопленочные многоконтурные СКВИД-магнитометры и СКВИД-градиентометры с высокой чувствительностью и помехостойкостью (С. И. Бондаренко, В. В. Кравченко, Е. А. Голованев, Е. С. Душечкина, 1982).
• Разработан и успешно испытан впервые в мире авиационный СКВИД-градиентометр для геомагнитных исследований (С. И. Бондаренко, В. В. Кравченко, Е. А. Голованев, Е. М. Тильченко, В. А. Самарский, Г. В. Безуглая, 1984).
• Предсказано снижение дробного шума в баллистических точечных контактах (И. О. Кулик, А. Н. Омельянчук, 1984).
• Предсказан эффект электрической поляризации сверхпроводников благодаря потенциалу Бернулли (Ю. М. Иванченко, А. Н. Омельянчук, 1985).
• Экспериментально подтверждены теоретические предвидения влияния кулоновской щели на прыжковую проводимость с переменной длиной прыжка и перколяционную природу сверхпроводного перехода в гранулированных сверхпроводниках (А. М. Глухов, Н. Я. Фогель, А. А. Шабло, 1985-1986).
• Разработаны и теоретически обоснованы методы управления координатной чувствительностью сверхпроводниковой болометрической структуры внешней локальной экспозицией (В. А. Коноводченко, Б. Б. Бандурян, В. Е. Бутовский, В. Г. Ефременко, А. П. Журавель, В. Ю. Лаврешин, Г. В. Шустакова, 1986–1991. Авторское свидетельство 1376851, 1986).
• Экспериментально изучены механизмы отклика на электромагнитное излучение, болометрические и шумовые свойства тонкопленочных ВТСП структур. Разработаны критерии оценки качества ВТСП пленок. Созданы и внедрены фотодетекторы, которые базируются на ВТСП микроболометрах. (Б. Б. Бандурян, И. М. Дмитренко, В. Г. Ефременко, В. Ю. Лаврешин, Г. В. Шустакова, другие коллеги из ФТИНТ, 1988–1991).
• Разработан и испытан впервые в СССР толстопленочный ВТСП квантовый интерферометр постоянного тока (С. И. Бондаренко, А. А. Шабло, Е. М. Тильченко, А. В. Лукашенко, 1989).

1990-1999
• Экспериментальное наблюдение взаимодействия линий проскальзывания фазы в широких сверхпроводных пленках (А. Г. Сиваков, А. П. Журавель, И. М. Дмитренко, В. Г. Волоцкая, О. А. Корецкая, 1992).
• Были исследованы высокотемпературные ВЧ СКВИДы с естественными межзеренными джозефсоновскими контактами. Были созданы охлаждаемые жидким азотом СКВИДы с рекордной чувствительностью 2х10-13Тл в частотной полосе 1Гц (Д. А. Конотоп, С. С. Хвостов, В. П. Тимофеев, 1993).
• Был предложен новый универсальный механизм 1/f шума во фрактальных перколяционных пленках, который заключается в пассивной трансформации любой естественной флуктуации функцией передачи фрактального типа (А. М. Глухов, И. М. Дмитренко, А. Е. Колинько, 1997).
• Теория переноса заряда в сверхпроводящих цепях с заданным напряжением: баллистических контактах атомных размеров, точечных и плоских диффузионных контактах, андреевских интерферометрах. Создание теории многократных андреевских отражений в диффузионных структурах - обобщение теории Клапвийка-Блондера-Тинкхама (Е. В. Безуглый, в сотрудничестве с учеными ФТИНТ и зарубежья, 1997-2014).
• Впервые в Украине была разработана тепловизионная система, которая основана на охлаждаемом жидким азотом полупроводниковом детекторе с температурной чувствительностью 0,1С, 256x256 элементами, пространственным разрешением 1,5 мрад, частотой кадров 1 Гц. Более чем 20 экземпляров этой модели, сделанные во ФТИНТ, все еще успешно используются в неразрушающем тестировании оборудования, энергосбережении, медицине, науке и других отраслях (В. Г. Ефременко, Э. Ю. Гордиенко, Г. В. Шустакова, Ю. В. Фоменко, 1998-2009).
• Исследование транспорта в низкоразмерных нормальных системах под воздействием ядерной спиновой поляризации и спин-орбитального взаимодействия. Была предложена концепция структур, индуцируемых ядерно-спиновой поляризацией (С. Н. Шевченко 1999-2004). Phys. Rev. B 66, 035303 (2002).
• Теоретическое исследование полной статистики переноса заряда в мезоскопических нормальных и сверхпроводящих структурах, предсказание гигантского дробного шума в сверхпроводящих переходах под напряжением (Е. В. Безуглый, в сотрудничестве с коллегами из ФТИНТ и зарубежья, 1999-2004).
• Исследования внутреннего пиннинга и соизмеримости вихревой решетки с периодом слоев в Mo/Si и W/Si сверхпроводящих многослойных структурах (М. Ю. Михайлов, О. И. Юзефович, 1999-2005).

2000-2009
• На основе ранее разработанных ВТСП ВЧ СКВИДов созданы портативные магнитометры, один из которых внедрен в Корейском институте атомной энергетики  (KAERI) для новых методов дефектоскопии конструкционных материалов. (В. П. Тимофеев в сотрудничестве с заграничными коллегами, 2000).
• Исследование искривленных низкоразмерных проводников. Было продемонстрировано, что эффективный потенциал искажения существенно влияет на транспорт в наномасштабе (С. Н. Шевченко, Ю. А. Колесниченко, 2001) JETP 92, 811 (2001).
Исследование квантовой динамики потоковых и зарядово-потоковых кубитов СКВИД-типа: были экспериментально реализованы зарядовые кубиты с низким шумом интерферометрического типа в виде транзистора на одиночных куперовских парах, замкнутого сверхпроводящим контуром, с джозефсоновскою энергией, сравнимой или большей зарядовой энергии. Были продемонстрированы температурные зависимости осцилляций Ландау-Зенера и Раби (В. И. Шнырков с заграничными коллегами, 2001-2006).
Разработан впервые в Украине трехканальный ВТСП СКВИД микроскоп (С. И. Бондаренко, А. А. Шабло, П. П. Павлов, N. Nakagawa, 2002).
Были предложены селективные стохастико-резонансные входные цепи для ВЧ СКВИДов с перестраиваемым транспортным током 4-терминальным контактом (О. Г. Турутанов, А. Н. Омельянчук, В. И. Шнырков, 2002).
Экспериментальное наблюдение стохастического резонанса в перколяционной джозефсоновской среде, который происходит в окрестности перколяционного порога (А. М. Глухов, А. Г. Сиваков и заграничные коллеги, 2002).
• Первые наблюдения эффекта lock-in в Mo/Si и W/Si сверхрешетках и ванадиевых тонких пленках в наклонных магнитных полях (М. Ю. Михайлов, О. И. Юзефович, 2002).
• Теория спин-орбитальных эффектов и теплового транспорта в NS структурах в условиях эффекта близости (Е. В. Безуглый, в сотрудничестве с коллегами из ФТИНТ и зарубежья, 2002-2010).
• Теория токонесущих состояний в джозефсоновских переходах между обычными и необычными (d-wave, f-wave) сверхпроводниками с акцентом на ситуацию с тангенциальным транспортным током вдоль границы (С. Н. Шевченко, Ю. А. Колесниченко, А. Н. Омельянчук, 2002-2006) Low Temp. Phys. 30, 213 (2004).
• Первое экспериментальное обнаружение микроскопических источников микроволновых нелинейностей в сверхпроводниках (А. П. Журавель, 2003).
• Был экспериментально реализован метод управления координатной чувствительностью ВТСП болометра. Сконструированный болометрический многоэлементный ВТСП ИК тепловизор с бесконтактным считыванием теплового поля является альтернативным подходом по сравнению с визуализацией с помощью матрицы в фокальной плоскости (В. Г. Ефременко, Э. Ю. Гордиенко, Г. В. Шустакова, другие институтские коллеги, 2003-2006).
• Разработка и первая демонстрация пространственно-разрешающего метода для измерения высокочастотного фотоотклика сверхпроводящих устройств, который коррелирует с индуктивными и резистивными изменениями СВЧ импеданса (А. П. Журавель, 2005).
Впервые детально исследовано замораживание локального магнитного поля (ЛЗМП) в ВТСП керамике. Обнаружена значительно более медленная релаксация магнитного потока по сравнению с однородным ЗМП. Оценена применимость ЛЗМП для оценки однородности ВТСП образцов (С. И. Бондаренко, А. А. Шабло, В. П. Коверя, Д. Ю. Фомин, 2006).
• Получено точное и полное решение проблемы джозефсоновского туннельного контакта произвольной (но конечной) длины в присутствии внешних параллельных магнитных полей и транспортных токов. Было показано, что джозефсоновские вихри существуют в произвольно малых (но конечных) туннельных переходах при условии, что внешние магнитные поля являются существенно большими, в противоположность распространенному и глубоко укоренившемуся неправильному пониманию (С. В. Куплевахский, А. М. Глухов, 2006-2008).
• Были созданы сверхпроводящие наноструктуры (Tc = 2,5–6,5 К) с различной топологией и размерностью на основе гетероструктур типа AIVBVI (PbTe/PbS, PbTe/YbS, PbTe/PbSe). Было получено прямое свидетельство об интерфейсной сверхпроводимости в двухслойных полупроводниковых гетеростуктурах (О. И. Юзефович, М. Ю. Михайлов, С. В. Бенгус, 2006-2008).
• Была разработана тепловизионная система, которая базируется на неохлаждаемом микроболометре, и создан прототип с чувствительной матрицей 384x288, температурной чувствительностью 0,06 C, пространственным разрешением 1,0 мрад и частотой кадров 25 Гц. К настоящему времени сделано и внедрено несколько экземпляров этой модели (Э. Ю. Гордиенко, Н. И. Глущук, Ю. В. Фоменко, Г. В. Шустакова, 2007-2012).
• Был экспериментально установлен рост эффективного потенциала пининга на порядок величины и более на естественных дефектах кристаллической решетки в широком классе ВТСП различной структуры в малых стационарных магнитных полях (В. П. Тимофеев, А. А. Шабло, В. Ю. Монарха, 2009).
• Исследование сверхпроводящих свойств золь-гель NbN-SiO2 и VN-SiO2 гранулированных пленок с контролируемым размером гранул (О. И. Юзефович, С. В. Бенгус в сотрудничестве с заграничными коллегами, 2010-2012).

Недавние результаты
Поиск эффекта переключения нелинейности в усиленном сверхпроводником метаматериале  (А. П. Журавель, 2012);
Предложена базовая концепция квантового индуктивного устройства связи (каплера, QUINC), которое представляет собой сверхпроводящий контур, замкнутый ScS контактом атомных размеров, для обеспечения перестраиваемого взаимодействия между двумя потоковыми кубитами. Было показано, что такой каплер обеспечивает большую энергию взаимодействия между кубитами, вплоть до 1 К. (В. И. Шнырков в сотрудничестве с коллегами из других институтов, 2012).
Визуализация анизотропного нелинейного эффекта Мейснера в нодальных тонких пленках сверхпроводника YBa2Cu3O7- (А. П. Журавель, 2013);
Разработка ультракомпактного сверхпроводящего резонатора со структурой двойной спирали (А. П. Журавель, 2013);
Визуализация когерентного отклика сверхпроводящей метаповерхности (А. П. Журавель, 2013);
Первое экспериментальное наблюдение динамической перестройки в метаматериалах, демонстририрующих прозрачность, индуцированную электромагнитным полем (А. П. Журавель, 2013);
Наблюдение перестраиваемых магнитным полем и транспортным током переходов сверхпроводник-изолятор в периодических наноструктурах, которые возникают на интерфейсе полупроводниковых гетероструктур PbTe/PbS (О. И. Юзефович, С. В. Бенгус, 2013-2016).
 
Назад к содержимому | Назад к главному меню