Ученые МФТИ с коллегами сравнили возможности классической магнитной силовой микроскопии (МСМ) и разработанного ими ранее нового метода для изучения дефектов в сверхпроводящих пленках. Оказалось, что в ходе сканирования поверхности с помощью квантового вихря, «ухватившегося» за магнитный зонд, можно визуализировать несовершенства структуры в толще материала, получив разрешение на порядок выше возможностей МСМ. Способность метода находить неразличимые для поверхностных методов скрытые дефекты задает новые стандарты в контроле качества сверхпроводников и сверхпроводящих приборов. Результаты исследований, проведенных при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-72-30004), опубликованы в журнале Mesoscience & Nanotechnology.
В классической магнитной силовой микроскопии (МСМ) вихрь жестко «заморожен» на внутренних дефектах, и зонд лишь рисует его размытый магнитный портрет. Ключевое отличие сканирующей квантово-вихревой микроскопии (СКВМ), разработанной в Центре перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ,— в поведении самого вихря, то есть тонкой нити квантованного магнитного потока, пронизывающей сверхпроводник. При нагреве пленки, близко к температуре сверхпроводящего перехода, удерживающие силы ослабевают, и магнитный зонд получает возможность буквально оторвать вихрь от дефекта и протащить его за собой по всей площади сканирования. Двигаясь, вихрь вынужден преодолевать ландшафт внутренних неоднородностей в материале. Как только его ядро — крошечный кусочек обычного металла, окруженный вихревыми сверхпроводящими токами,— цепляется за препятствие, а затем срывается с него, мгновенно меняются амплитуда и фаза колебаний высокочувствительного кантилевера (вибрирующей балки, на конце которой располагается зонд). Регистрируя эти изменения, ученые строят карту скрытой сети пиннинговых центров тех самых «якорей», которые удерживают вихри,— в проекции на плоскость сканирования. Чтобы доказать, что метод «видит» реальную, а не случайную картину, исследователи проверили ее стабильность, меняя направление сканирования и толщину пленок.
В качестве объекта исследования ученые выбрали ниобиевые пленки толщиной от 50 до 240 нм, полученные методом RF-магнетронного распыления. При этом ниобиевую мишень бомбардируют ионами аргона в высокочастотном разряде при низком давлении (~10⁻³ мбар), выбивая ионы ниобия, которые осаждаются на подложку из кремния. На поверхности ионы сталкиваются с друг другом, формируя островки, которые, разрастаясь, сливаются в сплошную пленку. Из-за того что на местах контакта островков кристаллические решетки не совпадают идеально, там возникает переходная область с нарушенным порядком атомов. Когда вихрь последовательно обходит поверхность пленки, он чаще всего «цепляется» именно за границы бывших островков.
В результате картина его динамического застревания и срывов повторяет их контуры, создавая характерный «чешуйчатый» узор. Этот узор оставался практически неизменным при смене направления движения зонда во время сканирования пленки. Незначительные расхождения, подобные гистерезису, лишь подтвердили, что это след динамического взаимодействия вихря с фиксированной сетью дефектов, а не шум прибора.
Еще более убедительным стало сравнение пленок разной толщины — от 50 до 240 нм. Масштаб выявленной сети закономерно рос с толщиной, что идеально совпало с известными данными об увеличении размера зерен в более толстых слоях. Это прямое свидетельство, что метод детектирует именно границы кристаллических зерен — ключевые дефекты в поликристаллических пленках.
«Ключевой эффект — в сканирующей квантово‑вихревой микроскопии разрешение фактически ограничено размером ядра вихря и достигает порядка 30–40 нм, то есть примерно на порядок лучше, чем характерные ограничения классической магнитной силовой микроскопии,— рассказал директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, д. ф.-м. н. Василий Столяров.— Это позволяет уверенно различать тонкие элементы внутренней структуры, например межзеренные границы и связанные с ними дефекты, которые обычными поверхностными методами часто нельзя увидеть».
Не остался без ответа и главный вопрос: как именно вихрь взаимодействует с дефектами и почему его можно оторвать? Для этого была построена теоретическая модель, учитывающая конкуренцию двух сил: притяжения вихря к магнитному зонду и его пиннинга — удержания на линейном дефекте.
Расчеты показали, что при низких температурах побеждает пиннинг, и вихрь остается на месте, как в классической МСМ. Но стоит нагреть образец ближе к критической температуре, как силы меняются местами: теперь зонд способен оторвать и повести за собой вихрь-щуп. Температурный порог этого перехода, предсказанный моделью, точно совпал с экспериментальными данными для пленок разной толщины. Такое совпадение теории и практики окончательно закрывает вопрос о физической природе наблюдаемого явления и подтверждает абсолютную работоспособность метода.
Рисунок 1. Изменение картины фазового сдвига δφ(x, y) для одной и той же области 100-нм-толстой пленки Nb при повышении температуры (размер изображения 5 × 5 мкм²). В режиме МСМ можно разглядеть закрепившийся на дефекте квантовый вихрь, а при росте температуры его плавно сменяет «чешуйчатый» узор пинниговой сети. Источник: Mesoscience & Nanotechnology
Таким образом, сканирующая квантово-вихревая микроскопия прошла все проверки на достоверность. Она не только показывает скрытую структуру с рекордным разрешением, но и делает это воспроизводимо и предсказуемо. Техника открывает путь к неразрушающему экспресс-анализу сверхпроводящих пленок и наноустройств, позволяя находить скрытые слабые места, невидимые для других методов диагностики. Это серьезный шаг к созданию более надежных кубитов, детекторов и элементов сверхпроводящей электроники.
Кроме ученых из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Института физики микроструктур РАН, Университета Лобачевского (Нижний Новгород), Института физики твердого тела им. Ю. А. Осипьяна РАН (Черноголовка) и Высшей школы индустриальной физики и химии Парижа (ESPCI Paris Sorbonne University).
Центр перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ (ЦМН) создан в 2021 году по инициативе выпускника МФТИ, лауреата Нобелевской премии по физике сэра Андрея Гейма. По рекомендации Андрея Гейма, Центр возглавил ведущий русско-французский ученый в области мезоскопической физики д. ф.-м. н Василий Столяров. Основной задачей ЦМН является исследование когерентных электронных свойств новых материалов, низкоразмерных самоорганизованных систем, искусственных мезоскопических структур и интерфейсов, гибридных систем с принципиально разными электронными параметрами порядка, топологических эффектов и др. С 2023 года центр, совместно со ВНИИА им. Н. Л. Духова, готовит студентов по направлению «фундаментальная и прикладная физика микро- и наноструктур».
ЦМН стоит у истоков создания открытого в 2025 году Научного центра мирового уровня «Центр перспективной микроэлектроники», который занимается развитием инновационных технологий на основе новых функциональных материалов разной размерности для создания электронных и фотонных устройств нового поколения. Основным заказчиком результатов его работы выступают предприятия отечественной микроэлектронной отрасли.
Приоритетами работы Центра перспективной микроэлектроники на ближайший период являются два глобальных направления: безопасность получения, хранения, передачи и обработки информации и технологии микроэлектроники и фотоники.
МФТИ является координатором созданного Научного центра мирового уровня. Его участниками совместно с МФТИ стали ВНИИА им. Н. Л. Духова, ИНМЭ РАН, ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. Со стороны индустрии основными партнерами выступили такие техногиганты и ключевые промышленные компании как ГК «Элемент», АО «НПО „Орион”» Госкорпорации «Ростех», ПАО «Газпром нефть».
