Физики улучшили сверхпроводимость свинцовых плёнок с помощью золота

Сегодня существует несколько теорий, описывающих и предугадывающих свойства и поведение ультратонких сверхпроводящих материалов. Однако подтверждение той или иной теории — непростая задача, так как на свойства сверхпроводимости могут повлиять разные факторы: дефекты, загрязнение, воздействие подложки. Чтобы минимизировать влияние этих факторов, российские и французские учёные использовали сверхвысоковакуумный низкотемпературный микроскоп.

Исследование проводилось на образцах монослоёв свинца, выращенных на кремниевой подложке. Сверхпроводимость в таких образцах распределяется нерегулярно: у них есть как сверхпроводящие области, так и те, где этот параметр пропадает. В них могут содержаться сотни и тысячи джозесонофских переходов.

Исследователи решили не просто рассмотреть свойства образцов свинец-кремний, но пойти дальше: изучить влияние на такие системы атомов золота. Золото не является сверхпроводником, поэтому предполагалось, что его присутствие ослабит сверхпроводимость образцов. Однако вышло совершенно наоборот.

«Мы показали, что атомы золота могут улучшать сверхпроводящие свойства атомно тонких слоев свинца. Это интересный пример контроля и управления характеристиками объекта на атомарном уровне. Наши исследования носят фундаментальный характер, и пока это не заявка на прикладное применение или какое-либо изобретение. Но этот результат в будущем мы сможем использовать, например, для более качественного и точного исследования и создания джозефсоновских переходов нано- и даже атомарных размеров. Джозефсоновские переходы на данный момент являются одними из основных элементов сверхпроводящей электроники», — комментирует Денис Баранов, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.

«Эксперимент стал возможен благодаря специальным техническим ухищрениям. В частности, Денисом Барановым был изготовлен специальный инструмент, помещающийся в модуль сканирования низкотемпературного зондового микроскопа JT-SPM, производства SPECS, представляющий собой держатель, на краю которого из золотой микропроволоки было изготовлено четыре контакта. При помощи пьезомоторов эти четыре контакта подводились к поверхности ранее приготовленных пленок, после чего измерялось сопротивление в зависимости от температуры. Примечательно, что исследование проводилось в условиях сверхвысокого вакуума, благодаря чему поверхности не были подвержены процессам окисления. Затем, после транспортных измерений, инструмент менялся на зонд для сканирующей туннельной микроскопии — и изучались уже поверхности на атомном уровне. Таким образом, нашей группе удалось совместить два экспериментальных метода без разрыва вакуума и в условиях низкой температуры. Это открывает большие перспективы с точки зрения исследования физических свойств двумерных систем, разрушающихся в естественных условиях», — добавляет Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.

Использовав спектроскопию, сканирующую туннельную микроскопию и электронно-транспортные измерения, группа физиков обнаружила, что декорирование ступенек систем свинец-кремний атомами золота усиливает их связь и, соответственно, сверхпроводимость.

Фото: Nano Letters