КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 21-12-00104
НазваниеКвантовый параэлектрик SrTiO3 и нелинейные емкостные приборы на его основе
РуководительФейгельман Михаил Викторович, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической физики им. Л.Д. Ландау Российской академии наук, Московская обл
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2021 г. - 2023 г. |
Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-209 - Низкие температуры и сверхпроводимость
Ключевые словаквантовый параэлектрик, устройства переменной емкости
Код ГРНТИ29.19.22
СтатусЗакрыт досрочно
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на теоретическое и экспериментальное исследование свойств кристаллического титаната стронция (SrTiO3) в диэлектрическом (исходный кристалл) и металлическом (слабо допированном) состояниях и использование этих свойств для реализации перестраиваемых элементов для квантовых логических устройств.
Основной практической целью проекта является изучение возможности создания быстро перестраиваемых (по величине дифференциальной емкости) микроконденсаторов с емкостями порядка десятков и сотен пикофарад, микронными и субмикронными размерами, работающими при низких температурах (менее 1К). Возможность создания таких элементов крио-наноэлектроники связана с аномальными свойствами титаната стронция - квантового параэлектрика с гигантской диэлектрической проницаемостью \epsilon (более 20000 при низких температурах при измерениях на монокристаллах). Близость к квантовому фазовому переходу в сегнетоэлектрическое состояние, очевидная из столь большой величины диэлектрической восприимчивости, определяет значительную нелинейность отклика, связанную с зависимостью диэлектрической восприимчивости от величины приложенного электрического поля. Основной целью создания нелинейных, управляемых напряжением микроконденсаторов, является использование этих элементов в различных схемах сверхпроводниковых квантовых битов, в том числе, с элементами топологической защиты от декогерентности и внешних шумов. Изменение емкости микроконденсатора, являющегося элементом кубита, позволяет, в принципе, радикально изменить частоту квантовых туннельных переходов между двумя почти вырожденными минимумами эффективной потенциальной энергии, созданной джозефсоновскими членами в гамильтониане кубита. Таковая возможность связана с экспоненциальной зависимостью частоты подбарьерых квантовых переходов от величины емкости (которая играет роль массы туннелирующей "частицы"). Проект предполагает теоретические расчеты микроконденсаторов на основе монокристаллов SrTiO3 и экспериментальную их реализацию, с последующим измерением зависимости дифференциальной емкости от приложенного напряжения. Затем предполагается использовать изменение емкости в резонансных микроволновых линиях, чтобы продемонстрировать сдвиг частоты резонанса как функцию прикладываемого напряжения. Наконец, предполагается изготовление простых версий сверхпроводникового кубита с включенным в него микроконденсатором переменной емкости, и демонстрация возможности управления частотой туннельных переходов при помощи изменения управляющего напряжения.
Вторым направлением проекта является теоретическое исследование электронного транспорта в слабо допированных монокристаллах SrTiO3 (с концентрацией электронов проводимости в интервале 10^17 - 10^19 cm^{-3}). Предполагается построить теорию электронного транспорта, основанную на идее о взаимодействии электронов с донорными центрами и между собой ввиду наличия процессов обмена двумя мягкими оптическими фононами (существование каковых связано с близостью к сегнетоэлектрическому переходу и давно экспериментально доказано). Такое взаимодействие не содержит (в отличие от обычного кулоновского взаимодействия) очень большого фактора \epsilon в знаменателе, и поэтому может оказаться доминирующим в SrTiO3. Предполагается изучить области как низких, так и высоких температур (сравнительно с энергией Ферми) и вычислить подвижность электронов проводимости в зависимости от их концентрации и от температуры. Планируется также изучить теоретически термоэлектрические явления: вычислить коэффициент Зеебека при высоких температурах, и исследовать возможность создание транспорта тепла вдоль монокристаллической пленки SrTiO3, управляемого электрическим полем. Наконец, предполагается исследовать двух-фононный обмен как один из возможных механизмов межэлектронного притяжения и возникновения сверхпроводящего состояния (каковое давно обнаружено в SrTiO3 но до сих пор не имеет общепринятого объяснения).
Актуальность решения обозначенных проблем обусловлена большим интересом в развитии сверхпроводниковой крио-электроники, в том числе квантовых битов на сверхпроводниках, для которых предлагаемые в проекте решения могут оказаться весьма полезными.
Научная новизна проекта состоит в том, что основные задачи проекта либо никогда и не ставились, либо их решение не было ранее достигнуто.
Ожидаемые результаты
Будет проведено теоретическое исследование зависимости диэлектрической проницаемости чистого SrTiO3 при криогенных температурах от величины статического электрического поля, и проведено сравнение с имеющимися экспериментальными результатами.
Будет проведен расчет двух различных конфигураций емкости на базе SrTiO3, перестраиваемой внешним напряжением – в виде плоского конденсатора и в виде планарной структуры.
Будут экспериментально изготовлены микроволновые резонансные линии и миниатюрные конденсаторы большой емкости на базе SrTiO3 с емкостью, зависящей от напряжения смещения.
Будет построена теория проводимости слабо допированного SrTiO3 в различных температурных областях, от самых низких температур, где она контролируется примесным рассеянием, до самых высоких температур, где подвижность контролируется электрон-фононным рассеянием.
Будет проведен расчет структур для электрически управляемого транспорта тепла
вдоль монокристаллической пленки SrTiO3 с напыленными на нее металлическими электродами.
Будет проведено экспериментальное исследование емкостных характеристик и добротности копланарных резонаторов, изготовленных на подложке SrTiO3 в "флип-чип" геометрии либо с использованием подслоев, уменьшающими емкостную связь джозефсоновских структур (кубитов) с подложкой SrTiO3.
Будут изготовлены и исследованы пробные сверхпроводниковые кубиты, использующие емкостные элементы на подложке SrTiO3.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Теоретическая часть проекта
1) Развита теория проводимости и термоэлектрических эффектов в допированном титанате стронция SrTiO3 в невырожденной области температур T >> E_F. Главным источником диссипации предполагается рассеяние электронов на мягких поперечных оптических фононах, связанных с близостью этого материала к сегнето-электрическому переходу. Мы используем классическое кинетическое уравнение для вычисления как сопротивления R(T), так и коэффициентов Зеебека S(T) и Нернста N(T) в широкой области температур и концентраций электронов проводимости. Результаты для R(T) и S(T) находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
2) Развита теория сверхпроводящего спаривания в слабо допированном титанате стронция, основанная на механизме обмена двумя мягкими поперечными оптическими фононами, впервые предложенном Нгаем в 1974 г. Показано, что предсказание теории для величины критической температуры (для плотностей электронов порядка 10^{18} cm^{-3} и менее) находятся в хорошем согласии с экспериментом. Также удается объяснить подавление сверхпроводимости с приложением гидростатического давления, и аномальный изотопический эффект - усиление сверхпроводмости с частичной заменой кислорода 16О на тяжелый кислород 18O.
3) Мы исследовали различные механизмы приводящие к температурной зависимости сопротивления слабо допированного титаната стронция в области вырождения T << E_F. Был обнаружен механизм, ранее в литературе не обсуждавшийся: релаксация импульса (и тока) электрона происходит вначале из-за рассеяния на других электронах (и этот процесс идет со скоростью пропорциональной T^2), а затем полный импульс всей системы электронов релаксирует из-за взаимодействия электронов с поперечными оптическими фононами. Наши предварительные расчеты показывают, что в результате такой комбинации процессов возникает вклад в сопротивление, пропорциональный A T^2, причем коэффициент A пропорционален n^{-4/3}, что довольно близко к экспериментально наблюдаемой зависимости.
Экспериментальная часть проекта
Спроектированы и изготовлены сверхпроводниковые копланарные резонаторы из ниобия на подложке из титаната стронция. К центральному проводнику резонаторов можно прикладывать постоянное напряжение, что уменьшает диэлектрическую проницаемость подложки, и приводит к увеличению резонансных частот структуры. Используя такую геометрию, мы исследовали нелинейный дилектричекий отклик монокристалла титаната строниция при температуре 10 мК. Исследования проводились в диапазоне частот до 1 ГГц и при частотах выше 4 ГГц. Наиболее сильный нелинейный отклик был обнаружен в низкочастотной области, в то время как выше 1 ГГц резонансы значительно слабее из-за большого тангенса диэлектрических потерь tan δ.
Измеренные зависимости резонансных частот и добротностей от приложенного постоянного напряжения показывают, что диэлектрические потери в низкочастотной области слабо зависят от частоты.
Публикации
1. Киселев Д.Е., Фейгельман М.В. Theory of superconductivity due to Ngai's mechanism in lightly doped SrTiO3 Physical Review B, - (год публикации - 2022)
2. Назарян Х.Г. и Фейгельман М.В Conductivity and thermoelectric coefficients of doped SrTiO3 at high temperatures Physical Review B, том 104, стр. 115201 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.115201