«Наш метод позволяет не только визуализировать дефекты, но и изучать их влияние на сверхпроводящие свойства. Это важно для создания новых квантовых устройств», - пояснил профессор Высшей школы промышленной физики и химии Парижа (Франция) Дмитрий Родичев, чьи слова приводит пресс-служба Центра научной коммуникации МФТИ.
Как объясняют ученые, разработанный ими подход позволяет максимально точно визуализировать квантовые вихреобразные структуры, чье существование было предсказано в 1950 гг. советскими физиками Львом Горьковым и Алексеем Абрикосовым при разработке теории сверхпроводимости. Они обнаружили, что в некоторых материалах, которые ученые сейчас называют сверхпроводниками второго рода, могут возникать особые магнитные «воронки», окруженные сверхпроводящей средой.
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, 2025
Присутствие этих квантовых структур, получивших название вихри Абрикосова, делает их особенно интересными для создания различных квантовых сенсоров и вычислительных устройств, однако для этого нужно понимать, как возникают эти «воронки» и как ими можно управлять. Российские и французские ученые создали новую методику микроскопии, которая одновременно позволяет решать и ту, и другую задачи.
В ее рамках ученые используют иглу магнитно-силового микроскопа, чтобы создать внутри сверхпроводника одиночный вихрь Абрикосова, который притягивается и неотрывно следует за данным устройством в процессе его перемещения по поверхности сверхпроводника. В результате этого квантовая воронка «прыгает» между дефектами, присутствующими в толще сверхпроводника, что позволяет составить его карту с очень высоким разрешением, отслеживая то, как меняется характер взаимодействий между вихрем и иглой.
Зависящая от толщины сеть вихревого закрепления 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, 2025
В частности, проведенные учеными опыты на образце сверхпроводящей пленки из ниобия показали, что их подход позволяет достичь разрешения около 20 нм, что значительно превосходит ожидаемые ограничения, связанные с магнитным взаимодействием вихря с микроскопом. В перспективе это позволит значительно ускорить изучение дефектов в сверхпроводниках и наноустройствах, а также разработку устройств на базе этих материалов, подытожили физики.
Работа опубликована в Communications Materials. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (прим. – Пресс-служба РНФ).
