Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Исследования по проекту начались 2-го августа 2017 г. Они частично основаны на исследованиях, проведенных в рамках Мегагранта (контракт № 14.B25.31.0007 от 26 июня 2013 г.) с тем же руководителем, и который финансировался в 2017 г. за счет Института физики и информационных технологий МПГУ. В настоящий проект РНФ была пришлашена команда новых участников, в частности Д. Водолазов, Д. Сыч и В. Храпай, чтобы сформировать сфокусированную программу по направлению "Взаимодействие излучения с квантовыми устройствами". Отчетный период и цели Очевидно, период, покрываемый данным отчетом, весьма короткий. Д-р. Александр Семенов координировал проведение исследований и написание отчета в тесном контакте с руководителем. Он также обеспечивал общую теоретическую поддержу проводимых исследований. Исследования по проекту проводились в трех экспериментальных направлениях: 1. Устройства на кинетической индуктивности (ответственный основной исполнитель - А.Корнеев) 2. Неравновесные процессы и квантовая эффективность (ответственный - В. Храпай) 3. Гибридные устройства (ответственный - Г. Федоров) Молодые ученые Одна из сильных сторон МПГУ - интеграция студентов в исследовательский процесс, подход принятый в исследовательских университетах всего мира. Благодаря составу нашей команды мы имели возможность вовлечь в исследовательский процесс студентов МПГУ, а также МФТИ и МИЭМ НИУ ВШЭ, что усиливает уровень проводимых исследований, а также уровень подготовки студентов, увеличивая их конкурентоспособность на мировой арене. Преподоваемая в МПГУ программа "Физика на английском языке" позволила нам провести в ноябре в МПГУ школу для молодых ученых полностью на английском языке. Несмотря на крайне ограниченное время на подготовку, благодаря интенсивной работе ряда исполнителей, школа прошла весьма успешной и мотивирующей (сайт школы: irq2017.quant.physics.mpgu.edu). Отчетность. Поскольку от нас, по праву, ожидают проведение исследований на высоком мировом уровне с публикацией результатов в уважаемых международных журналах, мы должны уделять непрестанное внимание качеству наших публикаций. Это требует глубоких обсуждений анализируемых данных, научной аргументации, структуры манускрипта. Конечно в этом процессе рождаются новые идеи и понимание необходимости новых экспериментов. Это стимулирует здоровое научное обсуждение. Понятно, что эти элементы не выражаются одним только количеством публикаций, и поэтому мы здесь уделяем этому такое внимание. Наша цель - создать атмосферу, в которой появляющиеся новые идеи приветствуются, как в России, так и международным сообществом как важный вклад. Направление I. Устройства на кинетической индуктивности - Однофотонное детектирование в широких мостиках. Мы экспериментально продемонстрировали, что однофотонное детектирование может быть реализовано в NbN мостиках микронной ширины. Их ширина варьируется в диапазоне от 0.5 мкм до 5 мкм для фотонов в интервале длин волн 410 нм - 1550 нм. Мостики смещаются током, близким к экспериментальному критическому току, который по нашей оценке составляет около 50% от теоретического тока распаривания. Это создает альтернативу стандартным сверхпроводниковым однофотонным детекторам SSPD на основе нанометровых сверхпроводниковых полосок. Резулььтаты согласуются с теоретической моделью работы детектора, учитывающей неравновесные процессы в сверхпроводнике и начальную диссипацию с участием вихрей. Статья в Phys. Rev. Applied находится в финальной стадии подготовки. Результаты могут иметь также коммерческую ценность. - Создание произвольного квантового состояния и оптимальное детектирование Предложен и исследован новый метод подготовки специальных квантовых состояний света в виде одиночных фотонов. Разработан метод создания таких состояний с произвольным распределением по времени. Предполагается, что этот метод используется для создания произвольного квантового состояния с несколькими степенями свободы. Для регистрации квантового состояния света с использованием однофотоных детекторов мы разработали оптимальную схему приемника с конечным числом элементов и конечным числом однофотонных детекторов. - Линии с низкой скоростью света Мы разработали оптимальную топологию микрополосковой линии на высокой кинетической индуктивности для получения низкой фазовой скорости волны. Такие линии будет изготовлены из неупорядоченной пленки NbN толщиной 5 нм с поверхностным сопротивлением ~500Ом при комнатной тепературе и кинетической индуктивностью квадрата пленки 100 пГн. В качестве диэлектрика микрополосковой линии мы выбрали нитрид кремния Si3N4 толщиной 40 нм. При таких параметрах мы ожидаем замедление скорости света до 300 раз. - Влияние технологии изготовления на сверхпроводниковые свойства NbN полосок В последнее время экспериментально было показано, что в узких сверхпроводящих полосках (S) имеют риск появления нормальных (N) краев. Мы разработали модель и обнаружили, такие полоски можно описывать на основе эффекта близости в NSN системе, в которой центральная сверхпроводящая часть окружена двумя поврежденными краями с подавленной сверхпроводимостью. Модель была применена к систематическому изучению полосок NbN толщиной 4,9 нм и шириной в диапазоне от 50 нм до 20 мкм. Практическая важность этой задачи состоит в возможности увеличить фактор заполнения в сверхпроводниковых однофотонных детекторах SSPD (статья опубликована в Phys. Rev. B). Результаты важны для нашей экспериментальной работы по SSPD и однофотонному детектированию в мостках микронной ширины. Направление II. Неравновесные процессы и квантовая эффективность - Энергетическая релаксация в алмазных пленках Методом AMAR были измерены время энергетической релаксации в поликристаллических легированных бором пленках алмаза (C:B), выращенных на не алмазных подложках (кремний и диоксид кремния). Была обнаружена неожиданная зависимость времени релаксации в пленках C:B от свойств подложки. В честности, было обнаружено, что температурная зависимость времени релаксации τeph(T) для пленок на кремнии описывается Т-2 -зависимостью, что также ранее наблюдалось для эпитаксиальных слоев C:B, выращенных на подложках алмаза. Для пленок C:B, выращенных на аморфном диоксиде кремния, наблюдается отличная Т-3- зависимость. Данное отличие может быть связано с тем, что степень во временной зависимости τeph(T) отражает особенности фононного спектра, нежели влияние примесного рассеяния на атомах бора. - Шумовая термометрия. За короткий промежуток времени, в 2017 году, была успешно запущена экспериментальная установка для измерения дробового шума в криостате BlueFors в МПГУ. Экспериментальная установка включает радиочастотный тракт, состоящий из резонансного контура, высокоомного малошумящего предусилителя на ступени 1K, каскада малошумящих усилителей, активного узкополосного фильтра и детектора мощности. Были проведены тестовые измерения теплового (шум Джонсона-Найквиста) и дробового шумов коммерческого HEMT транзистора в диапазоне 70-800 мК. Полученные результаты хорошо согласуются с независимыми измерениями идентичных транзисторов специалистами из ИФТТ РАН. Получены также первые результаты измерений сверхпроводящих пленок в нормальном состоянии. III Гибридные наноустройства - Обзор инженерной физики сверхпроводящих электронноразогревных смесителей Несмотря на их успех в практических применениях, в том числе использование в американско-европейском космическом телескопе "Гершель", сверхпроводящие электронноразогревные смесители, изобретенные в МПГУ, были очень плохо поняты. Ожидается, что в будущем они будут использоваться в новых астрономических проектах. Мы провели подробное резюме соответствующих физических процессов и продемонстрировали их актуальность для реальных устройств. Это обеспечивает концептуальную основу для дальнейшей оптимизации и указывает новые экспериментальные направления, в том числе изучение напряжения-шума за счет вихрей в сверхпроводниках. Обзор был опубликован в IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. - Асимметричные устройства с полевым эффектом на основе графена Мы создали асимметричные структуры с полевым эффектом для изучения различных механизмов, ответственных за отклик на терагерцовое излучение. Мы изучаем два основных типа асимметричных устройств: A. Устройства в конфигурации полевого транзистора с электродами сток и затвор, встроенными в антенну терагерцового диапазона, которая согласует устройство с излучением, изменяющим концентрацию носителей в канале проводимости на частоте излучения. В этой конфигурации фотоотклик обычно связывают с так называемым выпрямляющим эффектом Дьяконова-Шура, возникающим в результате возбуждения плазменных волн в канале транзистора. Однако другие эффекты могут также влиять на фотоотклик. Например, фототермоэлектрический эффект (ФТЭ), возникающий из-за градиента температуры в полевом транзисторе, подверженном воздействию излучения, может обеспечить дополнительное выпрямление входящего высокочастотного сигнала. Канал проводимости в наших устройствах образуется либо однослойным графеном, заключенным между двумя листами нитрида бора (BN), либо сеткой углеродных нанотрубок. Ожидается, что в случае сетки углеродных нанотрубок наличие полупроводниковых УНТ значительно изменит как частотную, так и температурную зависимость фотоотклика наших устройств, когда посредством электростатического легирования химический потенциал оказывается внутри запрещенной зоны УНТ Устройства в конфигурации полевого транзистора с электродами исток и сток, выполненными из разных металлов и представляющих собой два рукава антенны терагерцового диапазона, согласующей устройство с излучением. Устройства с различными каналами проводимости: - однослойный графен (SLG); - нанотрубки графена длиной 100 нм; - отдельные углеродные нанотрубки. - Измерение подвижности и концентрации носителей в устройствах на основе графена Мы также изготовили многоконтактные устройства в виде холловского мостика на основе графена и экспреиментально измерили концентрацию и подвижность носителей, извлеченные из измерений сопротивления Холла. Последние были выполнены с в магнитных полях +/- 1Т с использованием криомагнитной системы PPMS-9. Отметим, что подвижность носителей слегка уменьшается при понижении температуры от 300 до 77 К в соответствии с увеличением сопротивления. Уменьшение подвижности, вернее, сопротилвения, вероятно, связано с проявлением слабой локализации при низкой температуре. Исходя из значения подвижности и концентрации, мы оцениваем длину свободного пробега для упругого рассеяния носителей заряда 50 +/- 5 нм. - Связанные андреевские состояния с учетом спин-орбитального взаимодействия Развита последовательная теория множественного андреевского отражения (МАО) в терминологии теории сильной связи для случая нанопроволок со спин-орбитальным взаимодействием конечных размеров с малой прозрачностью границ и с наведенной сверхпроводимостью в приложенном магнитном поле. Рассчитаны вольт-амперные характеристики таких структур и дифференциальная проводимость. Показано появление особенности при нулевой проводимости при значении приложенного магнитного поля, большего критического значения. Сравнение полученных теоретических результатов с экспериментальными данными показало, что существующий эксперимент соответствует ситуации скорее последовательного туннелирования через две S-N границы, нежели чем МАО.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Общие замечания (период с 1-1-2018 по 31-12-2018) Общее состояние проекта: человеческий капитал Наш проект РНФ, выполняемый на физическом факультете Московского педагогического государственного университета, начатый 2 августа 2017 года, завершил свой первый полный год. Наша цель - работать как можно лучше, зная наши слабые и сильные стороны. Мы считаем, что одной из наших сильных сторон является то, что мы имеем многолетний опыт проведения исследований, интегрированных с образованием. Вторым преимуществом является то, что у нас более 10 лет опыта в проведении исследований, имеющих отношение к коммерческим продуктам, таким как однофотонные детекторы и смесители. Это позволило нам выйти на международный уровень через совместные проекты с нашими партнерами. За последние 5 лет мы пришли к выводу, что внутренние исследования были недостаточно сильны на международном уровне и нуждались в укреплении. Мы укрепили и продолжаем укреплять их, ориентируясь на человеческий капитал, к которому у нас есть доступ. Мы пришли к выводу, что нам нужны лучшие студенты на уровне бакалавриата, магистратуры и аспирантуры, и нам нужны лучшие партнеры. В то же время нам необходимо убедиться, что они образуют вместе взаимодействующее интеллектуальное сообщество. Последнее означает, что мы концентрируемся не на количестве публикаций, а на улучшенных научных исследованиях на базе физического факультета МПГУ. Внедренные решения 1. В рамках проекта RSF мы выбрали высококачественную согласованную программу, которая выполнялась и будет выполняться преимущественно в МГПУ. 2. Мы решили интегрировать студентов из ВШЭ-МИЭМ и МФТИ вместе со студентами из МПГУ в наши проекты. 3. Мы решили запустить программу в МПГУ изучения физики на английском языке, чтобы привлечь лучших и наиболее амбициозных студентов, заинтересованных в профессиональной жизни физика. 4. Мы привлекли нескольких коллег, которые проводят значительную часть своего времени в МПГУ, чтобы руководить исследованиями, обучать студентов и иногда выполнять обязанности преподавателя. 5. Мы также изменили акцент в отношениях с компанией Scontel, первоначально как финансового инструмента, и теперь рассматриваем ее в качестве источника научных проблем, которые необходимо решить. 6. Мы также поощряем взаимную критику в отношении стандартов, которые мы применяем для статей и презентаций, и стремимся улучшить навыки коммуникации. Все эти меры являются долгосрочными инвестициями, в рамках которых мы стремимся улучшить международно-конкурентоспособный интеллектуальный климат. Вместо того, чтобы удовлетворяться списком публикаций и множеством ссылок, мы стремимся создать исследовательскую лабораторию, в которой творчество и оригинальность высоко ценятся, и в которой фундаментальные исследования и прикладные исследования проводятся на высоком уровне. Во всем этом мы реалистичны, зная, что положительная динамика более достижима, чем максимум. Отчетный период и тематика. Период, охватываемый данным отчетом, составляет один год. Александр Семенов координирует исследования и отчеты в тесном контакте с руководителем проекта. Он также обеспечивает общую теоретическую поддержку. Исследования в рамках проекта содержат 3 основных направления экспериментальных исследований, каждое из которых возглавляется со-руководителем: I. Устройства на кинетической индуктивности (Корнеев) II. Неравновесные процессы и квантовая эффективность (Храпай) III. Гибридные нано-устройства (Федоров) Ниже приведены основные результаты по направлениям. Направление I. Устройства на кинетической индуктивности 1. Мы применили наш протокол квантовой томографии сверхпроводникового однофотонного детектора, позволяющий измерить двухфотонную эффективность и извлечь длину взаимодействия горячих пятен без дополнительных предположений, к обработке данных с волноводных SSPD, полученных нами в коллабрации с группой проф. Wolfram Pernice из университета Мюнстера. Нами обнаружены признаки на насыщение двухфотонной эффективности при большом токе, указавабющие на длину взаимодействия горячих пятен порядка 100 нм. 2. Теоретически изучен резистивный отклик высокоомной сверхпроводящей полоски, помещенной в перпендикулярное магнитное поле. Обнаружено, что скачок из резистивного состояния (режима течения вихрей) в нормальное состояние при токе I> I*(H), выше критического Ic(H), начинается с появления локализованных областей с подавленной сверхпроводимостью и быстрым движением вихри поперек полоски. Такие высокорезистивные джозефсоноподобные связи обеспечивают большой джоулевый нагрев и приводят к появлению нормальных доменов, которые расширяются вдоль сверхпроводящей полоски. Показано, что переход в нормальное состояние может быть инициирован при токе I<I*(H) одиночным оптическим фотоном, поглощенным вблизи края полоски, где вихри входят в сверхпроводник. 3. Показано, что тонкие сверхпроводящие пленки могут иметь отрицательное магнитосопротивление, когда внешнее магнитное поле параллельно транспортному току. Эффект обусловлен появлением параллельных вихрей в пленке при первом критическом магнитном поле Hc1, что приводит к усилению сверхпроводящих транспортных свойств и препятствует движению индуцированных током перпендикулярных вихрей. 4. Используя двухтемпературную модель в сочетании с модифицированным зависящим от времени уравнением Гинзбурга-Ландау, исследовано время задержки d при появлении растущей нормальной области в токопроводящей сверхпроводящей полосе после поглощения одиночного фотона. Показано, что d зависит от места в полосе, где поглощается фотон и монотонно уменьшается с увеличением тока. Продемонстрировано, что вариации d (джиттер), связанные либо с зависящим от места поглощения фотона резистивным откликом, либо с флуктуациями Фано, может быть порядка минимального времени релаксации сверхпроводящего параметра порядка h/kBTc (Tc - критическая температура сверхпроводника), когда ток приближается к току распаривания. 5. Мы изучили влияние внешнего магнитного поля и потока фотонов на временной джиттер при детектировании фотона с помощью прямых сверхпроводящих NbN нанопроволок. На двух длинах волн 800 и 1560 нм статистическое распределение во времени появления фотонных отсчетов проявляют гауссову форму при малых временах и экспоненциальный хвост в больших временах. Характерное экспоненциальное время больше для фотонов с меньшей энергией и увеличивается при наложении внешнего магнитного поля, тогда как вариации в гауссовой части распределения менее выражены. Увеличение фотонного потока выводит нанопровод из режима дискретного квантового детектирования в однородный болометрический режим, в котором происходит усреднение флуктуаций общего числа неравновесных электронов, создаваемых фотоном, и резко уменьшает джиттер. Разница между стандартными отклонениями гауссовских частей распределений для этих двух режимов обеспечивает измерение силы флуктуаций числа неравновесных электронов; он увеличивается с энергией фотона. Показано, что двухмерная модель горячего пятна качественно объясняет влияние магнитного поля на джиттер. 6. Мы подробно исследовали сверхпроводящие свойства двухслойного слоя, состоящего из сильно разупорядоченных сверхпроводящих (S) и низкоомных нормальных металлических (N) пленок. Теоретически и экспериментально показано, что экранирующие и транспортные свойства такого SN бислоя могут быть значительно выше по сравнению с одиночной S-пленкой. Из-за специфической температурной зависимости Ic и глубины проникновения магнитного поля, такие SN-бислои могут представлять интерес для проектирования различных типов сверхпроводящих болометров и детекторов. 7. Мы изучили задачу о неравновесной сверхпроводимости в присутствии микроволнового облучения. Мы показали, что микроволновое облучение усиливает сверхпроводимость в ограниченной области в плоскости частота-температура (так, что вне этой области сверхпроводимость всегда подавляется облучением слабым переменным полем.) Мы также вычисляем сверхпроводящий ток в присутствии микроволнового облучения и получаем критерий усиления критического тока 8. Экспериментально реализован квантовый приемник с зануляющим оптическим смещением и счетом фотонов, собранный на основе элементов волоконной оптики, позволяющий различать бинарные оптические квантовые состояния лучше стандартного квантового предела. Реализована система пассивной и активной фазовой стабилизации приемника с петлей обратной связи, позволившая увеличить время стабильности оптической части приемника до сотен секунд. Реализована электроника на основе ПЛИС для регистрации и обработки сигнала с однофотонного детектора. Направление II. Неравновесные процессы и квантовая эффективность 1. При помощи метода амплитудно-модулированного поглощения излучения исследован болометрический отклик разупорядоченной сверхпроводящей пленки NbN, являющейся составной частью однофотонного детектора с единичной внутренней эффективностью. Измерено абсолютное значение теплового сопротивления пленки в интервале температур 5-9 К, результат проанализирован в двухтемпературной модели. Установлена верхняя граница отношения теплоемкостей электронной и фононной подсистем Ce/Cph в NbN, которая близка к теоретической нижней границе для подобных устройств. 2. Исследованы транспортные электронные свойства эпитаксиальных пленок TiN с уникальной длиной пробега (параметр Иоффе-Регеля ~300 в толстой пленке) в диапазоне толщин пленок 3 нм – 200 нм. В области остаточного сопротивления обнаружен размерный эффект в сопротивлении пленки, определена длина пробега в пределе толстой пленки около 20 нм. 3. Проведен расчет из первых принципов спектра флуктуаций сопротивления на резистивном переходе в сверхпроводнике, обусловленных спонтанными флуктуациями температуры. Показано, что характерная величина спектральной плотности флуктуаций напряжения обратно пропорциональна квадрату ширины резистивного перехода. Проведенные оценки показывают, что полученный сигнал в диапазоне частот ниже обратного электрон-фононного времени релаксации доминирует в шумовом отклике, по сравнению с вкладами от проскальзывания фаз от одиночных вихрей и с флуктуациями параметра порядка. Ссылка https://arxiv.org/abs/1806.02200. Работа опубликована в журнале Письма в ЖЭТФ (в составе обзорной статьи). Направление III. Гибридные нано-устройства 1. В 2018 году наши усилия были направлены на исследования процессов выпрямления ТГц излучения в асимметричных устройствах на основе графена. Графен, вследствие превосходной подвижности электронов, считается перспективным материалом для создания детекторов высокочастотного ЭМ излучения вплоть до ТГц диапазона. В предыдущих работах было показано, что полевые транзисторы на основе графена демонстрируют широкополосный фотоотклик при комнатной температуре на входящее ТГц излучение благодаря выпрямлению вследствие термоэлектрического эффекта и / или эффекта возникновения плазменных волн в канале транзистора. Оба эффекта имеют сходные функциональные зависимости от напряжения затвора. Поэтому определение вкладов этих эффектов в фотоотклик является сложной задачей. Нами были проведены комбинированные экспериментальные и теоретические исследования фотоотклика на суб-ТГц излучение графеновых полевых транзисторов, проанализированные при разных температурах. Полученные данные, зависящие от температуры, позволили нам выявить роль фототермоэлектрического эффекта, выпрямления на p-n переходе и выпрямления за счет плазмонных волн в фотоотклике на суб-ТГц графеновых полевых транзисторов. 2. Мы также исследовали фотоотклик устройств на основе однослойного графена и графеновых нанолент с асимметричным контактным легированием (ванадий и золото) на ТГц излучение. Ванадий образует барьер на границе раздела с графеном, а золото – омический контакт. Мы нашли, что при низких температурах (77 K) чувствительность детектора возрастает с увеличение частоты падающего суб-ТГц излучения. Мы интерпретируем этот результат как проявление плазмонного эффекта в устройствах с относительно длинными плазменными волнами. Устройства на основе графеновых нанолент демонстрируют аналогичное поведение (хотя и с меньшей чувствительностью).

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Общие замечания Наша цель - новое поколение лидеров Проект РНФ 17-72- 30036 выполняется в Лаборатории квантовых детекторов Московского педагогического государственного университета и должен завершиться 31 декабря 2020 г. Проект выполняется в тесном взаимодействии с профессором МПГУ и ВШЭ Г.Н. Гольцманом, руководителем Радиофизической лаборатории в МПГУ. Руководитель данного проекта и руководитель Радиофизической лаборатории оба находятся в той фазе жизни, когда их главной заботой является новое поколения ученых, способных эффективно работать в исследовательском университете. Ученый-исследователь, работающий в университете, должен быть компетентен в следующих четырех основных вещах: научные исследования, преподавание, привлечение грантовых средств, и лидерство. Роль уходящего поколения – дать возможность молодым людям идти вперед, а университету – принять этих людей как лидеров. Ключевые условия для будущего Очевидно, что высшее образование в России находится в продолжающемся поиске стабильной и эффективной системы финансирования исследований и организации университетов. Поэтому мы должны принимать решения о будущем в условиях непрерывно меняющегося окружения. Наш проект готовит будущих преподавателей, исследователей и инноваторов. В этом контексте, нам представляется исключительно полезным взаимодействие между МПГУ и МИЭМ-ВШЭ. Уже сейчас студенты ВШЭ работают в научных лаборатория в МПГУ, а выпускники МПГУ поступают в аспирантуру ВШЭ. Отметим, что несколько молодых людей получили поддержку в поиске независимого финансирования их научных исследований. Это соответствует нашему убеждению, что для университетских преподавателей физики важно иметь собственный опыт научных исследований и представления результатов международному сообществу. В контексте этой перспективы, отметим следующее. 1. В рамках настоящего проекта РНФ, в МПГУ выполняется цельная исследовательская программа высокого уровня, что служит в том числе и тренингом для написания новых заявок на гранты. 2. Тем не менее, каждый из нас чувствует необходимость оптимизировать свою личную эффективность как сотрудника университета. Это здоровый и важный процесс. Это означает, что люди должны распределять свое время и возможности для работы над нашего проекта. Если это повышает их общую эффективность, мы поощряем это; если нет, мы учитываем это в процессе оценки персонала, как это принято в зарубежных университетах. 3. Мы продолжаем привлекать студентов и аспирантов МИЭМ-ВШЭ и МФТИ – естественно, как и студентов МПГУ – к участию в наших проектах. 4. Программа МПГУ «Фундаментальная физика на английском языке» действительно привлекает хороших и мотивированных студентов, заинтересованных в будущей карьере в науке или в инновационном бизнесе. Наш опыт вызвал интерес в Высшей школе экономики. В то же время, уровень владения языком преподавателей программы требует дальнейшего улучшения. 5. Школа молодых ученых, которая проводилась в рамках настоящего проекта РНФ уже в третий раз, была исключительно успешна. Этот вид активности показал себя эффективным для развития студентов магистратуры, аспирантов и молодых кандидатов наук. С другой стороны, наш формат школы оказался привлекателен для ученых высокого уровня, в том числе из-за рубежа. Все перечисленное выше следует рассматривать как инвестиции в будущее, цель которых – создание в университете интеллектуального климата международного уровня. Мы стремимся не к формальному увеличению числа публикаций и цитирований, а к созданию исследовательской лаборатории, в которой творческий подход и нестандартное мышление позволяют проводить фундаментальные и прикладные исследования самого передового уровня. Имея такую цель, в практическом отношении мы остаемся реалистами и осознаем, что положительная динамика достигается легче, чем международное лидерство. Отчетный период и предмет отчета Период, охватываемый данным отчетом – один год. Координатором написания отчета выступал Д-р. А.В. Семенов, в тесном взаимодействии с руководителем проекта. Части групп проекта он также оказывал теоретическую поддержку. Исследования в рамках проекта представлены тремя направлениями, каждое из которых возглавляется одним из ключевых исполнителей проекта. I. Устройства на кинетической индуктивности (А.А. Корнеев) II. Неравновесные процессы и квантовая эффективность (В.С. Храпай) III. Гибридные нано-устройства (Г.Е. Федоров) Ниже приводятся ключевые научные результаты, достигнутые в каждом из направлений. Направление I. «Устройства на кинетической индуктивности» Благодаря разработанному нами протоколу квантовой томографии впервые впрямую измерена длина взаимодействия горячих пятен в SSPD. Изготовлены бислои NbN/Au и полоски на их основе. Из транспортных измерений установлен сильный эффект близости в этой структуре, приводящий к сильной температурной зависимости критического тока от температуры. Обнаружено увеличение критической плотности тока NbN меандра при увеличении его толщины. Эффект объясняется увеличением краевого барьера для входа вихрей и подавлением влияния флуктуаций. В рамках двухтемпературной модели рассчитано время запаздывания появления импульса напряжения после поглощения фотона сверхпроводящей полоской с током при различной ширине полоски. Для узких и широких пленок обнаружено, что время запаздывания падает с ростом тока, что объясняется уменьшением времени релаксации сверхпроводящего параметра порядка. В ‘грязных’ сверхпроводящих полосках с ярко выраженным краевым барьером для входа вихрей неустойчивость вихревого движения возникает возле края сверхпроводника. Эффект связан с повышенной плотностью тока и локальной температурой возле края, где входят вихри. Данная неустойчивость может быть инициирована одиночным фотоном оптического диапазона, однако практическое применение данного эффекта ограничено достаточно узкими сверхпроводящими полосками с шириной порядка двух-трех размеров горячего пятна, индуцированного фотоном. Исследован переход сверхпроводник-металл в двумерных плёнках с флуктуирующей константой связи в Куперовском канале. Особенность этого перехода в том, что он происходит за счет делокализации состояний в хвосте плотности состояний сверхпроводящего пропагатора. Эта плотность состояний описывает плотность нормальных и сверхпроводящих (локализованных) мод в зависимости от эффективной константы притяжения (отталкивания) в соответствующей пространственной области. Вычислена проводимость такой пленки с нормальной стороны в окрестности сверхпроводящего перехода. Проведен учет неидеальности сверхпроводникового однофотонного детектора. Реализована контрмера против квантовой хакерской атаки с ослеплением сверхпроводникового однофотонного детектора в виде системы автосброса. Реализована электроника для обработки сигнала с однофотонного детектора на основе ПЛИС с системой автосброса. Развита теория оптимального приготовления и детектирования произвольных многомодовых однофотонных квантовых состояний. Результаты опубликованы в журналах Phys. Rev. A, Optics Express, Physica Scripta и EPJ Web of Conferences. Направление II Неравновесные процессы и квантовая эффективность В образцах, изготовленных на основе эпитаксиальных пленок TiN на подложке Al2O3, были проведены исследования времени энергетической релаксации при комнатной температуре. Для описания теплового транспорта исследуемых болометров на основе TiN была предложена теоретическая модель, согласно которой в качестве основного механизма охлаждения рассматривается фононное охлаждение. Экспериментальные данные, полученные для образцов TiN разной толщины, подтверждают теоретические предсказания. Для TiN болометра толщиной 5 нм экспериментально наблюдаемое время отклика ~27 пс, что соответствует частоте спада - 6 ГГц. Полученные результаты имеют важное значение для широкополосных смесителей и болометров, работающих при комнатной температуре. По результатам данной работы опубликована 1 статья в сборнике конференции ISSTT Proceedings 2019. Исследованы транспортные электронные свойства эпитаксиальных пленок TiN с уникальной длиной пробега (параметр Иоффе-Регеля ~500 в толстой пленке) в диапазоне толщин пленок 3 нм – 200 нм. Обнаружено подавление критической температуры сверхпроводящего перехода с уменьшением толщины пленки. Исследование данного размерного эффекта показало, что он связан с присутствием магнитного беспорядка в пленках TiN, который преимущественно находится на поверхности. Предполагается, что магнитный беспорядок на поверхности возникает из-за кислородных вакансий в естественном окисле. По материалам данного исследования опубликована статья в Physical Review Applied. Ссылка на результат https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.054001. При помощи шумовой термометрии для разупорядоченных пленок NbN в нормальном состоянии показали, что степень теплоотдачи n~2. Такая степень теплоотдачи указывает на присутствие «узкого горла» в теплоотводе пленки, которое может быть обусловлено сильной электрон-фононной связью в пленках NbN. В данном случае теплопроводность определяется электронной системой, а профиль температуры поперек пленки является параболическим. Предварительное экспериментальное исследование разупорядоченной NbN пленки толщиной 200 нм указывает на актуальность нашей модели для материалов, используемых в сверхпроводниковых однофотонных детекторах. Результаты работы опубликованы в статье https://arxiv.org/abs/1912.03094 и приняты в журнал в JETP Letters. Направление III «Гибридные устройства». В 2019 нами был исследован эффект резонансного детектирования ТГц излучения плазмонами в полевых транзисторах на основе графена, которые выступают одновременно как выпрямительные элементы, и как плазмонные резонаторы Фабри-Перо, усиливающие фотоотклик. Изменяя скорость плазмона с помощью напряжения на затворе, мы можем перестраивать наши детекторы между несколькими резонансными модами и используем этот способ для измерения длины волны и времени жизни плазмонов в двухслойном графене и его сверхрешетке. Наш подход являются удобным инструментом для дальнейших исследований в области графеновой плазмоники, которые часто трудно осуществимы в условиях, отличных от окружающей среды (например, криогенные температуры и высокие магнитные поля). В качестве примера мы продемонстрировали использование нашего подхода для возбуждения низкоэнергетических плазмонов, возникающих в минизонах сверхрешетки BLG / hBN. Метод имеет также большой потенциал для изучения коллективных мод в магнитных минизонах, которые в последнее время привлекают большое внимание.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Приводим основные научные результаты проекта за 2020 г. с разбивкой по направлениям Направление I «Устройства на кинетической индуктивности») Методом квантовой томографии впервые измерен размер горячего пятна в SSPD из MoSi. Полученное значение составило 150 нм. Теоретически показано, что SN бислой на основе грязного сверхпроводника (S) и высокопроводящего нормального металла (N) имеет более сильную зависимость кинетической индуктивности от тока, чем одиночная сверхпроводящая полоска. Оценки показывают, что такой SN бислой может быть многообещающей системой для различных приложений, основанных на нелинейности кинетической индуктивности. Разработана технология изготовления бислоев NbN-Au с толщиной NbN 5 нм, а золота в диапазоне 2-15 нм. На бислойных структурах обнаружен однофотонный отклик. Проведен анализ экспериментальных данных для сверхбыстрого движения вихрей со скоростями 10–15 км/с в сверхпроводнике Nb-C. Предложена модель, описывающая неустойчивость вихревого движения в данном материале на основе образования цепочки вихрей вблизи края образца и их эволюцию в самоорганизованные джозефсоновские контакты (вихревые реки). Проведен анализ перспективы использования тонких пленок Nb-C для однофотонных детекторов. Разработаны и протестированы оптические схемы на основе различных типов интерферометров, а именно схема на основе интерферометра Саньяка, схема на основе интерферометра Маха-Цендера и схема на основе интерферометра Майкельсона. Был проведен сравнительный анализ различных оптоволоконных интерферометрических схем применительно к реализации квантового приемника.Проведен анализ неидеальностей, свойственных каждой из схем. Разработан метод управления оптическим смещением в оптимальном квантовом приемнике для регистрации бинарных сверхслабых когерентных сигналов. Проведен анализ влияния оптических неидальностей оптической схемы, шумов детектора и фоновой засветки на управление оптическим смещением. Показано, что управлять оптическим смещением можно через измерение экстинкции интерферометрической схемы. Мы изучили генерацию однофотонных импульсов с заданной временной формой с помощью нелокальной спектральной фильтрации. Показано, что временная форма сгенерированного фотона определяется инвертированной во времени импульсной характеристикой спектрального фильтра и не зависит от момента детектирования.Также показано, что данный метод может быть использован для генерации фотонов с временем когерентности в диапазоне от нано до микросекунд. Определена нижняя граница для однофотонного произведения длительности и спектральной ширины сигнала для случая однофотонных импульсов с произвольными временными и спектральными профилями. Исследовано, как эта граница зависит от модальной чистоты, одномодовой точности и эффективного числа мод. Полученные результаты могут быть использованы для решения обратной задачи, а именно для оценки характеристик однофотонного импульса на основе произведения временной полосы пропускания, полученного из временных и спектральных измерений импульса. Разработаны и протестированы оптические интегральные интерферометры Маха-Цендера с фазовыми модуляторами на основе кремниевой технологии изготовления. Были разработаны фазовые модуляторы на основе термооптического эффекта. Были проведены измерения вольт-амперных характеристик фазовым модуляторов и измерены зависимости сдвига фазы от напряжения на фазовых модуляторах в интерферометрах. (Направление II «Неравновесные процессы и квантовая эффективность») Обнаружено, что в тонких пленках NbN, выращенных на подложках с аморфным подслоем SiO_2, теплоотдача в нормальном состоянии ограничена «подложечным» эффектом. Анализ теплового транспорта при нагреве пленки NbN постоянным током смещения показал наличие градиента температуры, возникающего поперек слоя SiO_2. Данный эффект может быть обусловлен слабой теплопроводностью из-за малой длины свободного пробега фононов в аморфном подслое. Исследование NbN структур, подвешенных на аморфной диэлектрической мембране, показало, что при стационарном нагреве вдоль длины мостиков устанавливается параболический профиль температуры. Наблюдаемое распределение температуры обусловлено диффузией неравновесных фононов через диэлектрическую мембрану в металлические контакты. Рассчитанные из данных по теплоотдаче величины теплопроводности подслоя SiO_2 и аморфной мембраны, состоящей из слоев SiO_2 и Si_3N_4, близки к значениям, известным ранее из калориметрических измерений. По результатам исследования готовится статья. При исследовании теплового транспорта при низких температурах (T<4.2K) в микроструктурированных образцах, изготовленных из эпитаксиального слоя сильно легированного бором алмаза (С:B), обнаружен размерный эффект. Данный эффект проявляется в более эффективном отводе тепла в структурах субмикронных размеров по сравнению с объемными образцами. Предполагается, что причиной размерного эффекта может быть слабая теплопроводность буферного слоя между C:B пленкой и алмазной подложкой. Также было показано, что в коротких (микронных) мостиках отвод тепла может быть ограничен электрон-фононным взаимодействием. По результатам исследования готовится статья. (Направление III «Гибридные наноустройства») Преобразование высокочастотных электромагнитных волн в постоянные сигналы является ключевым процесс для разработки систем беспроводной связи 5G, сверхбыстрой науки и астрономии. По мере того как частота излучения повышается до суб-терагерцовой (суб-ТГц) области, эффективное преобразование переменного тока в постоянное напряжение с помощью традиционной электроники становится все более сложной задачей и требует альтернативных протоколов выпрямления. В отчетном периоды для решения этой проблемы нами были разработаны туннельные полевые транзисторы, изготовленные из двухслойного графена (ДСГ) с двойным затвором. Воспользовавшись электрически перестраиваемой зонной структурой ДСГ, мы сформировали боковой туннельный переход и интегировали его в широкополосную ТГц антенну. Падающее излучение преобразуется в сигнал постоянного напряжения с помощью сильно нелинейных механизмов межзонного туннелирования, что приводит к исключительно высокой чувствительности (более 3 кВ / Вт) и малошумящему (0,2 пВт /Гц^0,5) детектированию при криогенных температурах. Мы продемонстрировали, как переключение с внутризонного омического на межзонный режим туннелирования с помощью одного и того же детектора может повысить его чувствительность на один порядок в соответствии с теорией. Кроме того, нами был продемонстрирован плазмонный интерферометр на основе графенового полевого транзистора, подключенного к специально разработанным антеннам. В результате мы наблюдали спирально- и фазочувствительное преобразование циркулярно-поляризованного излучения в фотонапряжение, вызванное механизмом плазмонной интерференции: две плазменные волны, возбуждаемые на истоке и истоке транзистора интерферируют внутри канала. Чувствительный к спиральности фазовый сдвиг между этими волнами достигается за счет использования асимметричной конфигурации антенны. Предлагаемый плазмонный интерферометр способен измерять фазу между двумя произвольно сдвинутыми по фазе оптическими сигналами. Наблюдаемый эффект открывает широкие возможности для фазочувствительного исследования плазменных волн в двумерных материалах.