Научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Ольга Скрябина контролирует процесс микросварки контактов к чипу. Фотограф — Евгений Пелевин, пресс-служба МФТИ
Ученые из МФТИ, МГУ и ИФТТ РАН показали возможность детектирования проникновения абрикосовских вихрей через границу сверхпроводника с ферромагнетиком. Устройство представляет собой ферромагнитный нанопровод, к которому подведены сверхпроводящие электроды. Работа опубликована в Scientific Reports.
Сверхпроводниками называют материалы, обладающие свойством терять сопротивление ниже определенной критической температуры Тс. Еще одно удивительное свойство сверхпроводников — выталкивание магнитного поля из своего объема (левитация). Это происходит за счет того, что по поверхности сверхпроводника начинает течь ток, который экранирует магнитное поле. Но есть материалы, их назвали сверхпроводниками второго рода, которые при температуре ниже критической способны пропускать магнитный поток в виде квантованных вихрей. Это явление было впервые предсказано Алексеем Абрикосовым и названо его именем. Абрикосовский вихрь — это вихрь сверхпроводящего тока с несверхпроводящим ядром, несущим в себе квант (единицу) магнитного потока.
Ольга Скрябина, первый автор работы, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ, говорит: «Целью нашего исследования было изучение особенностей сосуществования антагонистических явлений в одномерных системах “сверхпроводник — ферромагнетик”. Такие системы в настоящее время вызывают большой интерес благодаря обладанию сильной магнитной анизотропией и различным размерным и спиновым эффектам. Эти явления делают их перспективными для применения в функциональных гибридных наноустройствах, таких как сверхпроводящие преобразователи тока, спиновые затворы, магнитная память. Мы взяли нанопровод из никеля, который является ферромагнетиком, и подвели к нему контакты из ниобия, являющегося сверхпроводником».
Микроизображение структуры. Серым в центре показаны сверхпроводящие электроды из ниобия, синим — ферромагнитный никелевый нанопровод. Метка шкалы составляет 1 микрометр. Буквами «A» и «V» (амперметр и вольтметр) обозначен способ пропускания тока через образец. Источник: O. V. Skryabina et al., Scientific Reports
Ученые исследовали систему из двух сверхпроводящих ниобиевых электродов, соединенных никелевым нанопроводом (рисунок 1). Оказалось, что при изменении магнитного поля изменение сопротивления нанопровода очень сильно зависит от эффектов, происходящих на граничной области между сверхпроводником и ферромагнетиком.
Сначала физики рассмотрели систему в нормальном состоянии, когда температура выше критической и магнитное поле одинаково проникает во все части структуры (рисунок 2а). Сопротивление образца с ростом магнитного поля менялось слабо. Затем ученые опустили температуру ниже критической. Ниобиевые электроды перешли в сверхпроводящее состояние, их сопротивление стало равным нулю. При этом экспериментаторы зафиксировали сильный рост сопротивления системы. Он мог происходить только за счет вклада в сопротивление граничных областей «сверхпроводник — ферромагнетик». В то же время по ниобию потекли экранирующие токи, в результате чего сверхпроводник начал выталкивать магнитное поле (рисунок 2b). Эти явления приводят к тому, что кривые магнитосопротивления имеют необычную пилообразную форму и сдвиг относительно разных проходов по магнитному полю (рисунок 3).
Ольга Скрябина рассказывает: «Мы поместили образец в магнитное поле, направленное параллельно длинной оси нанопровода. Обнаружилось, что, измеряя сопротивление образца в таких условиях, мы можем засечь момент входа или выхода кванта магнитного потока в сверхпроводящий электрод».
Именно проникновение вихря в ниобий (рисунок 2с) или его выход оттуда и обуславливает эту пилообразность электрического сопротивления. Никелевый нанопровод в данной системе действует как громоотвод, «притягивающий» магнитное поле. Контакт с ним ослабляет сверхпроводимость в ниобиевых электродах, а значит, и локализует место проникновения вихрей Абрикосова.
Проведенные исследования демонстрируют колоссальное отличие привычных электрических схем по отношению к сверхпроводящим цепям и указывают на необходимость глубоких исследований гибридных сверхпроводниковых устройств для дальнейшего прогресса в области создания сверхпроводящих цифровых и квантовых компьютеров, а также сверхчувствительных сенсоров.
Процессы, происходящие в системе ниобий (серый блок) / никелевый нанопровод (синий цилиндр) при разных внешних условиях. (a) Температура выше критической, система находится в нормальном состоянии, магнитное поле (черные стрелки) проходит сквозь весь образец. (b) Температура ниже критической, при Hc < H < Hc1 магнитное поле концентрируется в ферромагнитном нанопроводе (красные стрелки) и экранируется ниобием (черные стрелки). (c) T < Tс, при превышении критического магнитного поля H > Hc1 происходит вход абрикосовского вихря в ниобий (отмечен красным кругом). Источник: O. V. Skryabina et al., Scientific Reports
Зависимость сопротивления образца от приложенного магнитного поля. Синим и красным цветом обозначено направление развертки магнитного поля. (a) Температура выше критической, система находится в нормальном состоянии, сопротивление системы меняется незначительно (в основном из-за перемагничивания никелевого нанопровода). (b) Температура ниже критической температуры сверхпроводящего перехода. Сопротивление системы меняется на порядок сильнее. Кривая имеет пилообразный вид со скачками сопротивления, соответствующими входу/выходу абрикосовского вихря. На вставках обоих графиков вынесено их увеличенное изображение в диапазоне перемагничивания нанопровода. Источник: O. V. Skryabina et al., Scientific Reports
Работа была выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства образования и науки РФ.
Лаборатория топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ занимается теоретическими и экспериментальными исследованиями фундаментальных физических свойств гибридных сверхпроводящих наноструктур. Объекты исследований — металлические и полупроводниковые наноструктуры на основе контактов сверхпроводников с так называемыми топологическими изоляторами. Физика «топологически защищенных» квантовых состояний — бурно развивающаяся область науки, которая привлекает большой интерес из-за перспективы создания принципиально новых типов приборов для спинтроники и квантовых вычислений. Последнее особенно актуально, так как в настоящее время основной проблемой реализации квантовых вычислений в передовых лабораториях мира является потеря квантовой когерентности из-за взаимодействия с окружающей средой.
