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 проекта 21-12-00104

НазваниеКвантовый параэлектрик SrTiO3 и нелинейные емкостные приборы на его основе

Руководитель Фейгельман 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

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 слова квантовый параэлектрик, устройства переменной емкости

Код ГРНТИ29.19.22

---

 

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.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---