Золото улучшило сверхпроводящие свойства монослоя свинца
Ученые из Высшей школы промышленной физики и химии Парижа, университетов PSL и Сорбонны в тесной кооперации с сотрудниками Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий Московского физико-технического института (МФТИ) продолжают исследования в области квантовых технологий. Они показали, что атомы золота улучшают 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.
Использование сверхпроводящих материалов и устройств на их основе — наиболее обещающая стратегия для развития квантовых технологий. Одно из важнейших требований, предъявляемых к подобным устройствам, — их миниатюрный размер. Поэтому исследователи заинтересованы в изучении свойств сверхпроводящих материалов в наномасштабах и даже в 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 негативные 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 при низких температурах является сверхпроводником 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 поддается точному контролю).
Группа ученых из России и Франции пошли немного дальше изучения «простой» системы свинец-кремний и решили провести серию исследований по изучению влияния на такую систему атомов золота. Золото не является сверхпроводником, поэтому выводы из классической теории сверхпроводимости подразумевают, что сверхпроводящие свойства будут проявляться в меньшей степени или могут вовсе исчезнуть из-за его влияния. Однако результаты оказались обратными.
Денис Баранов создал специальный инструмент, помещающийся в модуль сканирования низкотемпературного зондового микроскопа. Он представляет собой держатель, на краю которого из золотой микропроволоки было изготовлено четыре контакта. 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 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 изучения 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.