Ученые Высшей школы физики и промышленной химии университетов Парижа, PSL и Сорбонны в тесном сотрудничестве с сотрудниками Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий Московского физико-технического института (МФТИ) продолжают исследования в области квантовых технологий. Они показали, что атомы золота усиливают сверхпроводящие свойства атомарно тонких слоев свинца. Это исследование может помочь в разработке и контроле миниатюрных суставов Джозефсона в будущем. Работа опубликована в журнале Nano Letters.

Использование сверхпроводящих материалов и устройств на их основе является наиболее перспективной стратегией развития квантовых технологий. Одним из важнейших требований к таким устройствам является их миниатюрный размер. Поэтому исследователи заинтересованы в изучении свойств сверхпроводящих материалов на наноуровне и даже на атомном уровне. Особый интерес представляет изучение этого эффекта в двумерных материалах (предельная толщина которых достигает только одного атома, как и в этой работе). Сегодня существует несколько теорий, которые по-разному предсказывают поведение и свойства сверхпроводящих материалов при таких сверхмалых толщинах.

Наличие большого количества дефектов, удары подложки, загрязнение поверхности и другие факторы могут влиять на сверхпроводимость, затрудняя экспериментальную проверку той или иной теории. Для минимизации негативных факторов все исследования проводятся на современном и зачастую уникальном оборудовании, в данном случае внутри низкотемпературного сверхвысоковакуумного сканирующего зондового микроскопа.

«Мы показали, что атомы золота могут улучшать сверхпроводящие свойства атомарно тонких слоев свинца. Это интересный пример контроля и управления характеристиками объекта на атомарном уровне. Наше исследование носит фундаментальный характер и пока не является прикладной заявкой или каким-либо изобретением. Но в будущем мы сможем использовать этот результат, например, для более качественного и точного изучения и создания джозефсоновских контактов нанометровых и даже атомарных размеров, а джозефсоновские контакты в настоящее время являются одним из основных элементов сверхпроводниковой электроники. — комментирует Денис Баранов).

Ученые исследовали атомарные монослои свинца, выращенные на кремниевой подложке. Поскольку свинец является сверхпроводником при низких температурах и, как правило, при осаждении он растет на островках или ступенях, то полученный образец представляет собой систему, в которой есть сверхпроводящие области (сами островки и поверхность ступеней) и области, в которых сверхпроводимость может частично или полностью исчезнуть (пространство между островками или края ступенек). Поэтому даже такой простой образец может каким-то образом стать системой из сотен, а то и тысяч джозефсоновских контактов, основных компонентов в большинстве сверхпроводниковых устройств (хотя такие контакты в данном случае хаотичны и их положение и переключение нельзя точно контролировать).

Группа ученых из России и Франции пошла немного дальше изучения «простой» системы свинец-кремний и решила провести серию исследований по изучению влияния атомов золота в такой системе. Золото не является сверхпроводником, поэтому последствия классической теории сверхпроводимости заключаются в том, что его сверхпроводящие свойства будут менее выражены или могут полностью исчезнуть из-за его влияния. Однако результаты оказались прямо противоположными.

Денис Баранов создал специальный инструмент, который помещается в сканирующий модуль низкотемпературного зондового микроскопа. Он представляет собой подставку, на краю которой сделаны четыре контакта из микропроволоки из золота. С помощью пьезоэлектрических двигателей эти четыре контакта выводились на поверхность предварительно подготовленных пленок, после чего измерялось сопротивление в зависимости от температуры. Следует отметить, что исследование проводилось в условиях сверхвысокого вакуума, поэтому поверхности не подвергались процессам окисления. Затем, после транспортных измерений, прибор сменили на зонд сканирующей туннельной микроскопии и уже проводили исследования поверхности на атомарном уровне.

«Таким образом, нашей группе удалось совместить два метода исследования без нарушения вакуума и в условиях низких температур, что открывает большие перспективы с точки зрения изучения физических свойств двумерных систем, разлагающихся в естественных условиях», — комментирует Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ (соавтор публикации).

Используя сканирующую туннельную микроскопию, спектроскопию и измерения переноса электронов, физики обнаружили, что декорирование свинцовых перекладин в кремнии атомами золота приводит к более прочной связи между ними и улучшает сверхпроводящие свойства образца. Переход к сверхпроводимости в «позолоченных» монослоях свинца происходит при более высоких температурах.