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 21-72-00148

НазваниеЭлектронные свойства сверхпроводящих сверхтонких плёнок

РуководительБаранов Денис Сергеевич, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2021 - 06.2023 

Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-209 - Низкие температуры и сверхпроводимость

Ключевые словаСверхпроводимость, ультратонкие пленки, электронный транспорт, сканирующая туннельная микроскопия, магнитно-силовая микроскопия, атомно-силовая микроскопия, нитрид ниобия, переход сверхпроводник-изолятор

Код ГРНТИ29.19.29

СтатусЗакрыт досрочно

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Недавнее открытие существования сверхпроводимости в атомарно тонких пленках свинца (и индия) (1), выращенных на кремнии в сверхвысоком вакууме, открыло новую область исследований - ультратонкую двумерную сверхпроводимость. Последующие работы конкурирующих ведущих исследовательских групп из Китая, Японии, Франции, Германии, США показали чрезвычайную чувствительность сверхпроводящих свойств таких пленок к их структуре и разупорядочиванию. Более того, хотя первые эксперименты продемонстрировали, что сверхпроводимость существует только при очень низкой температуре 1,5-2 К, последующие исследования (2014-2015) показали, что сверхпроводимость появляется даже при 65 К (в монослоях FeSe) (2); некоторые имеющиеся данные свидетельствуют о еще более высокой критической температуре, приближающейся к 110 К (3). Хотя экспериментаторы быстро продвигаются вперед, никакого прогресса в теоретическом понимании неожиданного явления атомарно-тонкой сверхпроводимости до сих пор не было. Упомянутые выше экспериментальные работы продемонстрировали невероятно богатые квантовые свойства у атомных монослоев, также они ясно предложили возможность широкого применения атомных слоев в современных сверхпроводящих квантовых устройствах. Также продолжаются исследования разрушения сверхпроводимости вследствие разупорядочения поверхности в тонких пленках сверхпроводников и перехода таких систем из сверхпроводящего состояния в диэлектрическое (например, пленки нитрида ниобия). К сожалению, до настоящего времени почти все ультратонкие пленки выращивались в условиях сверхвысокого вакуума внутри вакуумных камер, а затем извлекались (подвергаясь влиянию атмосферы) для их дальнейшего измерения с помощью сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) или транспортными методами. При извлечении из вакуума структурные и электронные свойства образцов моментально изменялись, и все измерения проводились уже с нечистой двумерной системой. Кроме того, часто измерения с помощью СЗМ и транспортных методов выполнялись на разных установках, что также приводило к деградации поверхности образца. В рамках проекта планируется разработать методику, в которой транспортные измерения и исследования с помощью СЗМ будут выполняться на одной и той же установке без “разрыва” вакуума. Это позволит избежать деградации двумерного слоя и позволит наблюдать эффекты, влияющие на сверхпроводимость и не связанные с наличием оксидов, адсорбированных молекул и атомов. Результаты этого проекта являются актуальными и современными и могут помочь в понимании процессов перехода сверхпроводник-изолятор, а также определить критические толщины, при которых происходит этот переход, что может дать толчок к развитию новой сверхпроводящей микроэлектроники. 1. Zhang, T., Cheng, P., Li, W. et al. Superconductivity in one-atomic-layer metal films grown on Si(111). Nature Phys 6, 104–108 (2010). https://doi.org/10.1038/nphys1499 2. Jia, J. Superconductivity at 65 K in monolayer FeSe by ex situ Meissner effect measurement. Sci. Bull. 60, 1368–1369 (2015). https://doi.org/10.1007/s11434-015-0853-5 3. Ge, J., Liu, Z., Liu, C. et al. Superconductivity above 100 K in single-layer FeSe films on doped SrTiO3. Nature Mater 14, 285–289 (2015). https://doi.org/10.1038/nmat4153

Ожидаемые результаты
С помощью комплексного подхода измерений (на глобальном уровне - проведение транспортных измерений, на локальном уровне - проведение спектроскопии и снятие топографии с помощью СЗМ) будут исследованы пленки ниобия, свинца, индия, молибдена-рения и нитрида ниобия различных толщин, включая моноатомные слои. Ожидаемыми результатами станут детальные изучения перехода сверхпроводник-изолятор в таких пленках и определение критической толщины, при которой данный переход наступает. Высокая значимость исследований обусловлена популярностью использования сверхпроводящих пленок при изготовлении многих устройств различного применения (однофотонные детекторы, болометры в радиоастрономии, терагерцовая спектроскопия; устройства спинтроники). Помимо этого, тонкие сверхпроводящие пленки также интересны и с точки зрения фундаментальной физики. В частности, пленка нитрида ниобия является обычным сверхпроводником, который близок к высокотемпературным сверхпроводникам семейства YBCO с точки зрения концентрации носителей, длины когерентности и глубины проникновения магнитного поля, поэтому изучение пленок нитрида ниобия может помочь понять процессы разрушения сверхпроводимости в YBCO токами, магнитными полями и тепловыми вихрями вблизи температуры сверхпроводящего перехода.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В чистой комнате был изготовлен и испытан четырехконтактный зонд для проведения транспортных измерений сверхтонких пленок в условиях сверхвысокого вакуума, низких температур и сильных внешних магнитных полей. Затем с помощью имеющихся в СТМ магнетронах была отработана технология контролируемого изготовления пленок различной толщины различных сверхпроводников (Pb, Nb). После успешного напыления с помощью стандартных СТМ экспериментов была получена информация о морфологии изготовленных тонких пленок, а также на локальном уровне проведены исследования плотности состояний образцов (метод сканирующей туннельной спектроскопии (СТС)). Без нарушения условий вакуума после СТМ/СТС экспериментов с помощью изготовленного четырехконтактного зонда были проведены электронно-транспортные измерения пленок. Таким образом, в работе пленки были изучены взаимодополняющими методами – на локальном уровне с помощью СТМ/СТС исследований, на глобальном – с помощью электронно-транспортных измерений. Основной упор исследований был сделан на выяснение роли атомов золота, которые декорируют края ступеней в атомарно тонких сверхпроводниках Pb/Si(111). Исследования СТС продемонстрировали, что сверхпроводящие корреляции распространяются через атомные ступени, декорированные золотом, без разрушения, что позволяет предположить, что в Au-Pb/Si(111) сверхпроводящие террасы гораздо сильнее связаны друг с другом, чем в чистом Pb/Si(111). Этот результат подтверждается транспортными измерениями, которые, во-первых, показывают макроскопический сверхпроводящий переход при более высоких Tc в Au-Pb/Si(111), чем в Pb/Si(111), и, во-вторых, режим сверхпроводящих флуктуаций, распространяющийся до значительно более высоких температур в Au −Pb/Si(111). Сильная связь через ступени, декорированные атомами Au, может быть связана со значительным увеличением плотности состояний на краях ступеней или может быть связана с механизмом блокировки спин-импульса, поскольку сильное спин-орбитальное взаимодействие Рашбы уже было продемонстрировано в цепочках Au на поверхностях Si(111). Работа показывает, что специфическое декорирование ступенек, границ зерен или других дефектов атомного масштаба может быть использовано для влияния на макроскопические сверхпроводящие характеристики двумерных сверхпроводников. Исследование пленок ниобия продолжаются, результаты планируется опубликовать в следующем отчетном периоде.

 

Публикации

1. Баранов Д.С., Влаик С., Баптиста Дж., Кофлер Э.,Столяров В.С., Родичев Д., Понс С. Gold Atoms Promote Macroscopic Superconductivity in an Atomic Monolayer of Pb on Si (111) Nano Letters, 22, 2, 652–657 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03595