Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) и их коллеги разработали новый метод сканирующей микроскопии, который позволяет с нанометровым разрешением визуализировать распределение пиннингового потенциала в сверхпроводящих пленках. Этот метод, названный Scanning Quantum Vortex Microscopy (SQVM), открывает новые возможности для изучения дефектов в сверхпроводниках и наноустройствах, что может привести к улучшению характеристик сверхпроводящих материалов и устройств. Работа опубликована в Communications Materials. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-72-30004).
История изучения сверхпроводимости началась в 1911 году, когда нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что ртуть при температуре ниже 4,2 К теряет электрическое сопротивление. Это открытие положило начало новому направлению в физике. В последующие десятилетия ученые пытались объяснить природу сверхпроводимости. В 1950-х годах Лев Горьков и Алексей Абрикосов разработали теорию сверхпроводимости второго рода. Согласно их работам, в некоторых сверхпроводниках при определенных магнитных полях могут образовываться особые вихревые структуры — магнитные потоки, окруженные сверхпроводящей средой. Эти вихри получили название «вихри Абрикосова».
Абрикосов в 2003 году был удостоен Нобелевской премии за предсказание существования этих вихрей. Это выдающееся открытие советского ученого оказало огромное влияние на развитие физики твердого тела и позволило объяснить поведение сверхпроводников при высоких магнитных полях.
Для детального изучения вихревых структур требовались новые методы визуализации. В 1980–1990-х годах появились сканирующая туннельная микроскопия и магнитная силовая микроскопия, которые позволили наблюдать вихри в реальном времени.
Сканирующая вихревая микроскопия, разработанная в рамках недавнего исследования, представляет собой дальнейший шаг в этой области. Этот метод позволяет не только видеть вихри, но и манипулировать ими, исследуя локальные сверхпроводящие свойства с нанометровым разрешением.
Авторы исследования изучили пространственную и температурную эволюцию пиннинга вихрей в ниобиевых пленках, осажденных методом магнетронного распыления с толщиной 50–240 нм. Эти пленки широко используются в сверхпроводниковой электронике и квантовых технологиях. Новый метод микроскопии использует магнитный кантилевер микроскопа для создания, притяжения и перемещения одиночного квантового вихря в сверхпроводящей пленке. Взаимодействие вихря с дефектами в образце позволяет визуализировать распределение пиннингового потенциала.
В эксперименте магнитный наконечник сканирующего микроскопа создает вихрь, который тут же притягивается к нему, словно миниатюрный магнит к железу. Затем этот вихрь начинает «прыгать» между областями, где он застревает, что фиксируется через изменение сил взаимодействия между вихрем и кантилевером микроскопа. В итоге ученые получили детализированные карты распределения вихрей — своего рода «рельефную карту» сверхпроводниковой пленки.
Метод позволяет достичь разрешения около 20 нм, что значительно превосходит ожидаемые ограничения, связанные с магнитным взаимодействием вихря с кантилевером.
Исследователи изучили пленки ниобия толщиной от 50 до 240 нм, широко используемые в сверхпроводящей электронике. Было показано, что пиннинговый потенциал связан с гранулярной структурой пленок и границами зерен.
Пленки напылили на кремниевую подложку с помощью магнетронного распыления — метода, при котором атомы металла буквально выбиваются с поверхности мишени и оседают на подложке. В результате получилась пленка с зернистой структурой: вытянутые нанозерна размером 30–50 нанометров в длину и около 5 нанометров в ширину. Эти зерна группируются в более крупные кластеры, разделенные крошечными пустотами.
Рисунок 1. Изображение пленки толщиной 100 нм, полученное атомным силовым микроскопом (рисунок a), магнитным силовым микроскопом (рисунок b) и с помощью метода сканирующей вихревой микроскопии (рисунок c). Черная шкала соответствует длине 1 мкм. Источник: Communications Materials.
Чтобы создать квантовый нанозонд, образец охлаждали ниже критической температуры (~9 К), используя криогенный магнитный силовой микроскоп. Во время охлаждения его магнитный наконечник (из Co/Cr) висел на высоте ~2 мкм над пленкой. В результате в сверхпроводнике формировались одиночные квантовые вихри Абрикосова. При температуре 4,03 К вихрь оказывается зафиксированным вблизи левого края изображения. Он проявляется как темное пятно на карте магнитного силового микроскопа, потому что притягивается к кантилеверу. Но если немного поднять температуру (до 8,49 К), вихрь исчезает, а вместо него возникает загадочный узор в виде «рыбьей кожи» — сеть темных границ, где фиксируется сильное притягивающее взаимодействие. Это говорит о том, что вихрь больше не привязан к дефекту и может свободно двигаться по всему материалу образца.
Рисунок 2. В левой части рисунка нарисован эскиз всего эксперимента. Вихревые токи (серые пунктирные стрелки) циркулируют вокруг ядра вихря (черный цилиндр), запиннингованного на дефекте (темно-серый). Вихревые токи создают неоднородное магнитное поле Hvortex, взаимодействующее (сила F) с магнитным моментом Mtip колеблющегося кантилевера магнитно-силового микроскопа (зеленый). Во время сканирования несоосность между вихрем и кантилевером приводит к возникновению силы сопротивления Fdrag, которая стремится открепить вихрь от дефекта. Когда сила сопротивления превышает силу сопротивления пиннинга, вихрь следует за кантилевером магнитно-силового микроскопа и «тянет» за собой сеть пиннингов. В правой части рисунка изображено пространственное изменение нормализованной свободной энергии как функции положения вихря, рассчитанное для T = 0,4 Tc. Вершина кантилевера расположена в точке А, а линейный дефект в B. f температурная зависимость нормированной свободной энергии для вихря, расположенного под кантилевером в A (сплошные линии) и дефекта в B (штриховые линии). Источник: Communications Materials.
Перемещая вихрь, исследователи построили детализированные фазовые карты.
Ученые разработали теоретическую модель, объясняющую наблюдаемые эффекты и связывающую разрешение метода с длиной когерентности сверхпроводника.
Рисунок 3. Зависящая от толщины сеть пиннинга вихрей в пленках Nb. В верхней части рисунка (a, b,c) показаны изображения одного квадратного микрометра, полученные атомным силовым микроскопом при комнатной температуре, пленок Nb толщиной 240 нм, 100 нм и 50 нм соответственно. Черные полосы соответствуют длине 200 нм. Как размер зерна, так и видимая шероховатость поверхности увеличиваются с толщиной пленки. В нижней части рисунка (e, f, g) показаны изображения, полученные сканирующей вихревой микроскопией тех же самых пленок. Оранжевые полосы соответствуют длине 1 мкм. На всех пленках видна «рыбья кожа». Источник: Communications Materials.
Температурный порог, при котором вихрь отрывается, зависит от толщины пленки — это подтвердили как эксперименты, так и компьютерное моделирование.
Рисунок 4. Температурная зависимость нормированной свободной энергии для вихря, расположенного под кантилевером в A (сплошные линии) и дефекта в B (штриховые линии). Синяя, красная и зеленая кривые соответствуют образцам толщины d = 50, 100 и 240 нм соответственно. Температура перехода T*, отмеченная пятиугольниками, зависит от толщины пленки и зависящей от этой толщины глубины магнитного проникновения λd. В правой части рисунка синие круги изображают зависимость температурного диапазона сканирующей вихревой микроскопии от толщины пленки. Красные окружности соответствуют расчетным значениям разницы Tc−T* между критической температурой сверхпроводника и температурного порога, при котором отрывается вихрь. Погрешности ±0,05 К показывают экспериментально определенную температурную неопределенность температуры порога T*, возникающую из-за неоднородности сети центров пиннинга вихрей. Источник: Communications Materials.
«Мы впервые смогли увидеть, как вихри взаимодействуют с дефектами в сверхпроводящих пленках на нанометровом уровне. Это открывает новые горизонты для разработки более эффективных сверхпроводящих материалов и устройств», — рассказал директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.
«Наш метод позволяет не только визуализировать дефекты, но и изучать их влияние на сверхпроводящие свойства. Это важно для создания новых квантовых устройств», — добавляет Дмитрий Родичев, профессор ESPCI Paris.
Сверхпроводящие материалы играют ключевую роль в современных технологиях, включая квантовые вычисления, магнитно-резонансную томографию и ускорители частиц. Однако их свойства сильно зависят от дефектов, которые могут как улучшать, так и ухудшать характеристики материала. Новый метод SQVM позволяет не только визуализировать эти дефекты, но и изучать их влияние на пиннинг вихрей, что открывает новые возможности для оптимизации сверхпроводящих устройств.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, МИСиС, Института физики твердого тела РАН, Института физики микроструктур РАН, Университета Лобачевского (Нижний Новгород), Всероссийского НИИ автоматики имени Н. Л. Духова, ESPCI Paris Sorbonne University.
Hovhannisyan, R.A., Grebenchuk, S.Y., Larionov, S.A. et al. Scanning vortex microscopy reveals thickness-dependent pinning nano-network in superconducting niobium films. Commun Mater 6, 42 (2025). https://doi.org/10.1038/s43246-025-00759-6
