Спектроскопия сверхпроводящих гибридных наноструктур

Цель работы - теоретические и экспериментальные исследования, направленные на обнаружение и изучение новых квантовых эффектов в неоднородных сверхпроводящих системах, в частности, исследования пространственной неоднородности и разрушения квантовой когерентности в сложных гибридных сверхпроводящих наноразмерных гетероструктурах и гранулированныхсверхпроводниках. Теоретическая часть проекта выполняется при участии ведущих теоретиков в данной области с использованием аппарата микроскопической теории сверхпроводимости и посвящена анализу особенностей электронной структуры и плотности состояний в тонкопленочных S-N, S-F и S-TI структурах; исследованию электронного транспорта в джозефсоновских контактах, содержащих в области слабой связи многослойные структуры, включающие тонкие сверхпроводящие, нормальные и ферромагнитные пленки. Исследованы свойства джосефсоновских гибридных структур SIs-F/N-S типа, состоящих из сверхпроводящих электродов (S), туннельного слоя (I) и металлической (N / F) прослойки из нормального и ферромагнитного слоев. Показано, что изучаемая SIs-F/N-S структура может быть использована в качестве управляющего элемента ячейки памяти. Предложен способ записисистемы в произвольное состояние, а также неразрушающего считывания. Важным преимуществом предложенного подхода к организации памяти является то, что он не требует перемагничивания ферромагнитного слоя при проведении операции записи. В результате для системы не требуются приложение внешних полей или инжекция сильного спин-поляризованного тока. Все процессы управляются джозефсоновскими токами, а переключение происходит на характерных временах, определяемых характеристиками сверхпроводящего материала. Для изучения структуры и оценки характеристических динамических параметров слабых ферромагнитных пленок PdFe, используемых в SFS, SIFS или SIsFS джозефсоновских переходов, проведены исследования методом сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) и поставлен эксперимент по наблюдению ферромагнитного резонанса. Получена информация о микроструктуре пленок слабого ферромагнетика PdFe, изготовленного на пленке ниобия. Разработана техника по исследованию резонансного спектра ферромагнитных образцов с чувствительностью, на порядок превышающую существующие непосредственные аналоги. Проведены магнитно-силовые (МСМ) исследования тонких пленок Cu4_7Ni_53 при температурах от 300 до 4 К, активно используемых в сверхпроводящей электронике. MСM-исследования поверхности плёнки CuNi проводящей иглой продемонстрировали анизотропию поверхности по составу. Исследована конфигурация вихрей и доменов в гетероструктуре сверхпроводник - ферромагнетик Nb(100nm)/CuNi(50nm)/Pt(10nm) в зависимости от температуры и внешнего магнитного поля. Визуализирована динамика доменной структуры при воздействии внешнего перпендикулярного магнитного поля. Cобрана и автоматизирована установка для синтеза нанонитей переменного состава. Отработана методика магнетронного напыления сверхпроводящих контактов, подводящиx транспортный ток к нанонитям. Изготовлены ниобиевые контакты, в частности, к медным монокристаллическим нанонитям. Отработана методика создания джозефсоновских контактов при помощи электронной литографии с единичной нанонитью в качестве слабой связи. Продемонстрирована джозефсоновская связь на расстояниях до 1700 нм. Зарегистрирован патент на технологию изготовления контактов. Изготовлены и исследованы структуры сверхпроводник - наноостровок Bi₂Te₂Se - сверхпроводник, демонстрирующие квантовое поведение, свойственное системам с поверхностными состояниями. Показана возможность управления зарядом атомов Fe, локализованных вблизи поверхности топологического изолятора Bi₂Se₃ с использованием иглы STM в качестве локального затвора. Дано качественное объяснение наблюдаемых явлений с точки зрения локального изгиба зон. Изучена релаксация спина электрона, взаимодействующего с магнитной примесью Fe в сверхпроводнике 2H-NbSe₂ с двумерной электронной структурой. Oбнаружена длинно-масштабная когерентность квантовых осциллирующих состояний электрон - дырка. Экспериментально обнаружен новый эффект - индуцирование вихрей Абрикосова из сверхпроводника (Nb) в нормальный металл (Cu) за счет эффекта близости и уширения керна вихря в нормальном металле. Проведено количественое сравнение экспериментальных данных с результатами самосогласованного расчета в рамках квазиклассических уравнений Узаделя в различных магнитных полях, и получено хорошее согласие теории с экспериментом. Теоретически предсказан новый эффект в системе сверхпроводник/ферромагнетик (SF) - инверсия направления сверхтока абрикосовского вихря в ферромагнитной (F) пленке по отношению к направлению вращения сверхпроводящего тока в сверхпроводящей (S) пленке SF-сэндвича при изменении обменного поля в ферромагнетике либо коэффициента прозрачности SF-границы. Изучена проводимость контакта нормального металла и сверхпроводника с нетривиальной симметрией параметра с учетом электронного рассеяния на примесях. Результаты расчетов важны для экспериментального изучения симметрии сверхпроводящего параметра порядка в различных материалах, в том числе в системах сверхпроводник - топологический изолятор. Впервые измерен дробовой шум в N-TI-N и N-TI-S контактах (N - нормальный металл), выполненных на пленках топологического изолятора Bi₁,₅Sb₀,₅Te₁,₇Se₁,₃. Измеренный фактор Фано в режиме андреевского отражения FAR ≈ 0,22 существенно меньше значений, соответствующих N-S контактам на основе нормального металла и двумерного электронного газа. Проведенные эксперименты дают важную информацию о поверхностных состояниях на латеральном интерфейсе нормальной и сверхпроводящей фаз топологического изолятора. Разработан и изготовлен кубит на основе тонкой пленки NbN с сужением (слабой связью) в 30 нм. Проведены измерения характеристик кубита c помощью техники коротких микроволновых импульсов. Продемонстрирован полный контроль квантовых состояний.