Международная группа физиков, среди которых руководитель лаборатории «Топологические квантовые явления в сверхпроводящих системах» МФТИ Александр Голубов, представила на страницах журнала Science экспериментальное исследование явления, которое может использоваться для построения принципиально новой электроники — моттовского перехода, превращения диэлектрика в проводник.
Исследователи из Нидерландов, Великобритании, Италии, США и России провели серию экспериментов с моттовскими изоляторами. Эти материалы должны бы быть проводниками электрического тока, согласно зонной теории проводимости*, однако на практике они оказываются диэлектриками. В общих чертах механизм, объясняющий эту аномалию, физикам известен, однако полной теории моттовских изоляторов пока что нет. Как такие материалы превращаются из изоляторов в проводники, тоже до конца не ясно.
* Зонная теория проводимости — квантовая теория, разработанная в первой половине XX столетия для объяснения электрических свойств веществ. Она основана на идее квантовых энергетических уровней. Электроны в веществе могут либо иметь достаточную энергию для свободного перемещения и тогда попадают в зону проводимости, либо нет, и тогда говорят о запрещенной зоне.
В то же время, по предварительным оценкам, такой эффект способен открыть путь к более быстрым компьютерам. Моттовский переход происходит под воздействием ряда факторов, включающих магнитное поле, и за счет этого им можно управлять извне, пропуская или останавливая электрический ток в нужном месте. Такая схема могла бы заменить обычные транзисторы и при этом оказаться быстрее и компактнее: но для ее реализации нужна теория моттовского перехода.
Такая теория относится к числу фундаментальных концепций, объясняющих электрические свойства вещества. Она имеет непосредственное отношение не только к поведению моттовского изолятора, но также к сверхпроводимости и основам спинтроники, технологии, которая предполагает управление спинами* электронов. Сверхпроводимость со спинтроникой относятся к тем направлениям, где можно ожидать радикальных технологических прорывов, поэтому понимание природы моттовского перехода важно не только с точки зрения «чистой теории».
* Спином частиц физики называют квантовую величину, которая проявляет себя при взаимодействии частицы с магнитным полем. Спин играет фундаментальную роль в квантовой физике, поскольку без его учета невозможно описать ни поведение электронов в атомах, ни феномен намагничивания материалов, ни строение молекул. Со спином также связан феномен магнитного сопротивления — явления, при котором помещение образца в магнитное поле резко меняет его электрическое сопротивление; эффект используется во всех современных жестких дисках.
В новом исследовании физики использовали специальную модель, которая позволяла изучать квантовые процессы в моттовском изоляторе при помощи так называемых магнитных вихрей. В этой модели, предложенной в 1993 году Валерием Винокуром и Дэвидом Нельсоном, внутри сверхпроводящего материала создается квантовый вихрь из электрического тока, и такие вихри сами по себе можно рассматривать как носители заряда. Причем, что особенно важно, в работе Винокура и Нельсона говорилось о фазовых переходах* — сверхпроводник с магнитными вихрями вел себя то как сверхтекучая жидкость, то как стекло, в котором электрический ток распространяться не может. Варьируя температуру и магнитное поле, ученые переводили образец из одного состояния в другое, и именно эти наблюдения вкупе с рядом более новых данных были положены в основу нового исследования.
* Фазовые переходы — переход вещества из одного состояния в другое. Классический пример — лед тает и превращается в воду, а вода испаряется и становится паром. Размагничивание намагниченной иголки при нагревании в пламени свечи, другой школьный опыт, — тоже пример фазового перехода. Фазовые переходы изучает термодинамика, они связаны с изменением таких характеристик систем, как полная энергия или энтропия, мера упорядоченности.
Для нового эксперимента ученые изготовили на кремниевой пластине квадратную матрицу из 300х300 ниобиевых «островков» диаметром около 220 нанометров и подвели к ней золотые и ниобиевые контакты. Образец изготовили стандартными методами фотолитографии и затем поместили в криостат, охладив до 1,4 кельвина, ниже температуры перехода ниобия в сверхпроводящее состояние. Ниобиевые «островки» стали сверхпроводниками, в них сформировались магнитные вихри, а далее исследователи проанализировали поведение системы в различных условиях.
Использованная в экспериментах матрица из ниобиевых островков, ее рельеф и сечение, а также (C) общий вид в оптический микроскоп. Иллюстрация любезно предоставлена авторами исследования.
В частности они измерили сопротивление образца и обнаружили, что эта величина меняется нелинейно с ростом магнитного поля. С теоретической точки зрения полученные результаты означают то, что моттовский переход действительно можно представить как превращение вещества из жидкого состояния в газ, что открывает дополнительные возможности для анализа феномена с позиций термодинамики. Причем разработанная учеными экспериментальная схема делает дальнейшие эксперименты сравнительно простыми, поскольку для них достаточно стандартных методов фотолитографии и температур, сравнимых с температурой жидкого гелия. Такие низкие температуры, кстати, уже научились получать без использования дорогого жидкого гелия: в прошлом году в МФТИ разместили подобную установку в лаборатории Междисциплинарного центра фундаментальных исследований.
Нелинейный характер сопротивления образца и зависимость сопротивления от магнитного поля. Иллюстрация любезно предоставлена авторами исследования.
Статья опубликована в журнале Science. Она подписана сотрудниками университета Твента (Нидерланды; второе место работы Александра Голубова), Римского международного материаловедческого центра RICMASS, Института полупроводников СО РАН, Новосибирского государственного университета, Аргоннской национальной лаборатории (США), Лондонского университета королевы Марии и МФТИ.
