Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1) Был отработан синтез нанокристаллов топологических изоляторов Bi2Te3, Bi2Se3 Bi2Te2Se, а также проведен подбор подложек и температурных режимов. Синтез нанокристаллов топологических изоляторов проводился PVD методом (метод физического осаждения из паровой фазы). Исходный материал - поликристаллический сплав Bi2Te2Se - помещался на медный нагреватель, покрытый танталом. Осуществлялся рост Вольмера–Вебера, при котором разделенные трехмерные частицы растут прямо на подложке. Структура и состав нанокристаллов анализировались с помощью рентгеновской дифракционной спектроскопии (XRD), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) и дифракционной спектроскопии обратного рассеяния электронов (EBSD). Измерения показали, что нанокристаллы структурно идентичны Bi2Se3 и Bi2Te3; их состав близок к Bi2Te2.3Se0.7. Детали измерений описаны в работе [1]. 2) Был разработан дизайн джозефсоновских структур с использованием нанокристаллов топологических изоляторов. Джозефсоновские переходы на основе нанокристаллов были реализованы путем магнетронного распыления Nb на поверхность подложки, обработанной электронным пучком и покрытой нанокристаллами Bi2Te2.3Se0.7. Контакты сверхпроводник - топологический изолятор были реализованы в областях перекрытия Nb и Bi2Te2.3Se0.7. Непосредственно перед осаждением Nb эти области подвергались травлению аргоновой плазмой для повышения прозрачности контакта. Несколько независимых контактов были реализованы на одной и той же подложке в рамках единой последовательности выращивания / литографии / распыления. Результаты опубликованы в статье [1]. 3) Была отработана нанолитография и напыление джозефсоновских контактов Nb/Bi2Te2.3Se0.7/Nb. После выращивания методом PVD (физического осаждения из паровой фазы) подложка была покрыта резистом ПММА толщиной 250 нм с помощью электронно-лучевой литографии, а окна были изготовлены с помощью электронной литографии для последующего осаждения пленки Nb. Базовое давление в камере магнетрона было 5 × 10-9 мбар. Перед осаждением ниобия незащищенные части образцов протравливались в плазме аргона, а слой Nb наносился методом высокочастотного магнетронного распыления со скоростью осаждения 0,19 нм / с (давление Ar 4 × 10-3 мбар, мощность высокочастотного излучения PRF = 200 Вт). Детали технологического процесса описаны в статье [1]. 4) Были проведены DC и RF исследования в условиях сверхнизких температур. Было показано, что при понижении температуры сопротивление контактов R(T) следует металлическому поведению вплоть до температуры 10 K. Примерно при 8 K (критическая температура Nb) происходит падение R. Ниже этой температуры наблюдался уширенный переход, характерный для постепенного перехода в сверхпроводящее состояние. Ниже 1,1 К сопротивление было равно нулю. Вольт-амперные характеристики V(I), измеренные ниже 1 К, подтвердили, что все устройства ведут себя как джозефсоновские переходы с высокопрозрачными интерфейсами. Обработка результатов измерений критического тока в зависимости от температуры и внешнего магнитного поля позволила сделать вывод о баллистическом характере транспорта в изучаемых контактах. Результаты опубликованы в [1]. 5) Был проведен теоретический анализ джозефсоновского транспорта через монокристаллы Bi2Te2.3Se0.7. Было продемонстрировано, что из-за очень малой толщины кристаллов в квантовых когерентных магнитотранспортных свойствах реализованных устройств доминируют топологические поверхностные каналы. Для описания экспериментальных данных было проведено численное моделирование. Результаты сравнения теории и эксперимента позволили сделать вывод о сильной джозефсоновской связи и баллистическом когерентном характере переноса заряда. Для построения теории наведенной сверхпроводимости в ТИ были вначале исследованы свойства нормального состояния контактов и предложена схема переноса тока с учетом конечного числа проводящих каналов. Это позволило разработать модель, описывающую избыточные токи в переходах. Далее были проведены детальные расчеты джозефсоновского тока в диффузионном и баллистическом режимах. Сравнение с данными эксперимента позволило сделать вывод о том, что баллистические каналы на поверхности ТИ доминируют в сверхтоке. Результаты опубликованы в статье [1]. Эти результаты закладывают основу для дальнейшей реализации целей проекта. 6) Была теоретически предсказана возвратная сверхпроводимость в структурах сверхпроводник/ топологический изолятор с индуцированной намагниченностью. Было исследовано поведение критической температуры в гибридной двумерной наноструктуре, состоящей из сверхпроводника и топологического изолятора, в котором индуцирована геликоидальная намагниченность в плоскости контакта. Было показано, что в случае геликоидальной намагниченности в плоскости, изменяющейся вдоль границы раздела, возможно немонотонное поведение критической температуры в зависимости от толщины слоя ТИ с выраженным минимумом при определенной толщине. В случае геликоидальной намагниченности, осциллирующей перпендикулярно границе раздела S/TI, критическая температура также демонстрирует сильно немонотонное поведение, качественно отличное от первого случая. Результаты направлены в печать, препринт доступен на сайте [2]. 7) Был экспериментально обнаружен новый тип осцилляций критического тока в магнитном поле в баллистических контактах Nb-Bi2Te2.3Se0.7-Nb (S-TI-S) и предложена качественная теоретическая модель. Модель основана на идее о резонансном прохождении сверхпроводящего тока через p-волновые Андреевские моды. Было показано, что сверхбыстрые осцилляции тока являются прямым следствием p-волновой симметрии сверхпроводящего параметра порядка, индуцированного на контактах S-TI, из-за сопряжения s-волновой сверхпроводимости и нетривиальной симметрии используемого топологического изолятора. Данный вывод основан на рассмотрении структуры низкоэнергетических андреевских связанных состояний на границе топологического изолятора (TI) с S-электродом. На основе анализа уравнений Боголюбова - де Женна было показано, что на границе S-TI формируются специфические Андреевские связанные состояния, характеризующиеся сверхтонким межуровневым расстоянием ~ 1 мкЭв. Результаты направлены в печать [3]. 8) Было теоретически исследовано поведение андреевских связанных состояний в случае смешанной периодичности 2 pi - 4 pi в массивах джозефсоновских контактов. Была изучена возможность манипулирования расположением вихрей в массивах с помощью импульсов тока, совместимых с технологией быстрой одноквантовой логики (БОКЛ). Теоретически показано, что с использованием модифицированной модели резистивно шунтированного перехода, операции квантового запутывания состояний могут быть выполнены с использованием импульсов тока, подаваемых с края решетки. В качестве ловушек необходимо использовать вихревые участки с повышенным критическим током. Связанные состояния Майорана могут возникать в джозефсоновских переходах обычных s-волновых сверхпроводников, связанных через сильный топологический изолятор. В конфигурациях из нескольких стыков линий, пересекающихся в одной точке, критерий существования майорановского связанного состояния совпадает с наличием дробного джозефсоновского вихря, фаза вокруг которого меняется на 2 pi. Мы исследовали динамическую устойчивость таких вихрей в массивах трех и четырех контактных ячеек. Было продемонстрировано существование дробных вихрей в массивах. При этом обнаружено, что динамическая устойчивость критически зависит от соотношения ток-фаза и индуктивности. Была предложена и исследована альтернативная возможность использования импульсов тока для управления связанными состояниями Майорана в топологических джозефсоновских массивах. Использование импульсов тока имеет то преимущество, что оно совместимо с технологией БОКЛ, в которой импульсы тока также используются для управления магнитным потоком в массивах джозефсоновских контактов. Было показано, что предложенная схема позволяет создавать связанные майорановские состояния вследствие генерации и перемещения 2 pi вихрей в массивах контактов со смешанным соотношением ток-фаза. Результаты приняты к публикации [4]. 9) Было изучено влияние спин-орбитальной связи и деформации Ферми поверхности на интерференцию квазичастиц на поверхности TИ и проведено сравнение результатов с экспериментальными данными, полученными с помощью STM. Было исследовано экспериментально и теоретически расщепление электронных уровней, вызванное беспорядком, при интерференции квазичастиц на векторах нестинга в топологическом изоляторе Bi2Te3. Обычно неупругие взаимодействия квантовых систем с окружающей средой размывают когерентные эффекты. В случае осцилляций Фриделя наличие беспорядка приводит к быстрому убыванию амплитуды колебаний. В данной работе мы показали, что в трехмерном топологическом изоляторе Bi2Te3 существует индуцированное нестингом расщепление векторов когерентного рассеяния, которое обладает своеобразной эволюцией в зависимости от энергии. Эффект становится экспериментально наблюдаемым, когда время жизни квазичастиц сокращается из-за беспорядка. Это расщепление не только позволяет оценить время жизни дираковских электронов в топологических изоляторах, но это общее явление может иметь место и в других квантовых системах с четко определенными векторами рассеяния, приводя к нетривиальным модификациям их когерентных свойств. Результаты направлены в печать, препринт доступен на сайте [5]. [1] Vasily S. Stolyarov, Dmitry S. Yakovlev, Sergei N. Kozlov, Olga V. Skryabina, Dmitry S. Lvov, Amir I. Gumarov, Olga V. Emelyanova, Pavel S. Dzhumaev, Igor V. Shchetinin, Razmik A. Hovhannisyan, Sergey V. Egorov, Andrey M. Kokotin, Walter V. Pogosov, Valery V. Ryazanov, Mikhail Yu. Kupriyanov, Alexander. A. Golubov & Dimitri Roditchev, “Josephson current mediated by ballistic topological states in BiTeSe single nanocrystals”, Communications Materials 1,38 (2020), https://doi.org/10.1038/s43246-020-0037-y [2] T. Karabassov, A. A. Golubov, V. M. Silkin, V. S. Stolyarov, A. S. Vasenko, “Reentrant superconductivity in proximity to a topological insulator”, направлено в Physical Review B, препринт доступен по адресу https://arxiv.org/abs/2012.01556 [3] V. S. Stolyarov, D. Roditchev, V. L. Gurtovoy, S. N. Kozlov, D. S. Yakovlev, O. V. Skryabina, V. M. Vinokur, and A. A. Golubov, “Resonant transmission via p-wave Andreev modes in Nb-Bi2Te2.3Se0.7-Nb topological Josephson junctions”, направлено в Nature Communications. [4] M. Lankhorst, T. Jansen, A. Brinkman, A. A. Golubov, “Majorana bound state manipulation by current pulses”, принято к печати в Superconducting Science and Technology (2020 г.). [5] Vasily Stolyarov, Valeria Sheina, Dmitrii Khokhlov, Sergio Vlaic, Stéphane Pons, Herve Aubin, Ramil Akzyanov, Andrey Vasenko, Tatiana Menshchikova, Evgueni Chulkov, Alexander Golubov, Tristan Cren, Dimitri Roditchev, “Disorder-induced splitting in quasiparticle interference of Bi2Te3 Dirac electrons”, направлено в Science Advances, препринт доступен по адресу: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-62002/v1

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В баллистических контактах Nb-Bi2Te2.3Se0.7-Nb обнаружен новый тип осцилляций критического джозефсоновского тока, подверженных воздействию магнитного поля. Осцилляции возникают ниже ∼400 мК и имеют очень необычную остроконечную форму. Их ультракороткий период ~ 1 Э, на порядки меньше ожидаемой периодичности из-за квантования потока в устройстве, соответствует чрезвычайно тонкой шкале энергии ~ 1 мкэВ. Мы показали, что наблюдаемый эффект связан с резонансным прохождением андреевских квазичастиц через энергетические уровни, образующиеся вблизи границ раздела С-ТИ. Данные наблюдения являются прямым экспериментальным доказательством, подтверждающим разработанную нами модель резонансного транспорта p-волновых корреляций через баллистические топологические каналы, связывающие низколежащие андреевскием уровни, образованные на двух С-ТИ интерфейсах. Исследован топологический изолятор с магнитным легированием, объемный монокристалл BiSbTe2Se (Fe-BSTS) с идеальным уровнем Ферми. Были проведены как туннельные, так и транспортные измерения образца. Измерения с помощью сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии (STM/STS) показали, что состояние поверхности имеет конус Дирака с точкой Дирака чуть ниже уровня Ферми на 12 мэВ. Нормированные спектры dI/dV демонстрируют наличие щели с Δmag ∼55 мэВ, что приводит к появлению уровня Ферми внутри открытой щели. Измерения при приложении напряжения на затворе (ионной жидкости, расположенной на кристалле) также подтверждают точку Дирака чуть ниже уровня Ферми и наличие магнитной щели. Химический потенциал поверхностного состояния может быть полностью настроен с помощью гейтирования, и, таким образом, мы демонстрируем, что BSTS, легированный Fe, обеспечивает идеальную платформу для исследования экзотических квантовых топологических явлений. С помощью STM в Bi2Se3, легированном Fe, реализовано контролируемое манипулирование ротором. Мы обнаружили, что ток в роторе, который может быть точно настроен в зависимости от напряжения на зонде, вызывает переключение между тремя эквивалентными ориентациями, каждое из которых может быть зафиксировано при небольшом напряжении смещения. Интересно, что три ориентации не являются идеально симметричными, о чем свидетельствует асимметрия в скорости переключения и токовом шуме. Это дает основание предполагать, что какой бы структурный дефект ни заставлял примесь Fe смещаться от центра, он также влияет на путь тока через смещенную примесь Fe. Используя измерения флуктуации тока на частоте 1 МГц и моделирование, оценивается, что достигается частота переключения в сотни кГц для субнаноамперных токов. Был отработан процесс роста нанокристаллов ТИ на подложках Si (111). При синтезе мы могли варьировать 4 параметра: расстояние между испарителем с исходным материалом и подложкой, их рабочие температуры, а также время осаждения материала. При подборе удачных параметров осаждения учитывалась толщина получаемых нанокристаллов, их латеральные размеры, форма, концентрированность нанокристаллов на подложке и, соответственно, расстояние между кристаллами. Идеальные условия для дальнейшей работы с осажденным образцом - это нанокристаллы ограненной формы, толщиной от 20 до 50 нм, с латеральными размерами от 300 нм и расстоянием между нанокристаллами от 500 нм. Пример осаждений приведен в дополнительном файле. На остальных подложках рост осуществить не удалось, так как возникли трудности с получением их в наше распоряжение. Были изготовлены контакты, которые являлись внешним затвором для управления электронным транспортом в образцах Nb/ТИ/Nb при сверхнизких температурах. В рамках этих исследований данные образцы были также изучены с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) для получения знаний об интерфейсе образца. Данные ПЭМ демонстрируют, что интерфейс Nb/ТИ имеет взаимный диффузионный слой размером примерно 1-2 нм, в котором подавление сверхпроводимости, по-видимому, происходит из-за распространения электрического поля. Туннельный механизм проводимости в аморфном слое эффективен только при экспоненциально низком напряжении на затворе, он сменяется неупругим туннелированием. Дальнейшее увеличение напряжения на затворе активирует неупругие каналы, характеризующиеся большим количеством примесей. Развит теоретический подход к определению симметрии сверхпроводящего спаривания путем транспортных экспериментов, который создает базу для выбора потенциальной платформы квантовых вычислений на основе майорановских фермионов. Предложенный метод основан на измерении дифференциальной проводимости контактов, содержащих p-волновые сверхпроводники, что позволяет реализовать новый экспериментальный тест для обнаружения p-волновой сверхпроводимости в различных структурах, в том числе на поверхности топологических изоляторов. Решена задача о связанных состояниях Майорана в джозефсоновских переходах в сверхпроводниках с барьерами из топологических изоляторов. Продемонстрировано существование вихрей с дробным квантом магнитного потока в треугольных и квадратных решетках джозефсоновских переходов и исследована их динамическая устойчивость. Изучена возможность управления положением вихрей посредством импульсов тока. Предложен способ проведения операций квантового запутывания состояний с помощью импульсов тока, подаваемых с края решетки контактов. Изучено влияние примесей на поверхности топологического изолятора на квазичастичную интерференцию. Картина квазичастичной интерференции получалась путём преобразования Фурье от туннельной проводимости, которая измерялась сканирующим туннельным микроскопом на поверхности топологического изолятора. В работе были исследованы паттерны квазичастичной интерференции на поверхности трёхмерного топологического изолятора Bi2Te3 с наличием поверхностных дефектов – вакансий теллура (Te). У Bi2Te3 ярко выражено гексагональное искажение (варпинг) Дираковского конуса и интерференционная картина имеет характерную гексагональную структуру. Неупругое рассеяние электронов на примесях Te приводит к расщеплению полос этой структуры в определённом диапазоне энергий. Проведены расчеты сверхтока и Джозефсоновского критического тока структуры сверхпроводник/топологический изолятор/сверхпроводник. При этом на поверхности топологического изолятора предполагалась ненулевая наведенная намагниченность. В качестве модели был использован формализм квазиклассических функций Грина в диффузионном пределе. В результате расчетов было получено аналитическое выражение для плотности сверхтока в контакте, который складывается из трех компонент - двух компонент, соответствующих решению в объеме, то есть вдали от границы, а также взаимной компоненты, учитывающей границу раздела доменной структуры.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Были исследованы электронно-транспортные свойства джозефсоновских переходов на основе нанокристаллов топологических изоляторов с ниобиевыми контактами (Nb/Bi2Te2.3Se0.7/Nb). Исследования проводились при сверхнизких температурах в переменном электромагнитном поле. В ходе исследований были измерены вольтамперные характеристики образцов при различных температурах и значениях мощности и частоты. Зависимость Ic(H) имеет колоколообразную форму, как наблюдалось и ранее для такого типа SNS-переходов. С увеличением температуры форма колокола становится более пологой. Были впервые сгенерированы и изучены ступени Шапиро на переходах Nb/Bi2Te2.3Se0.7/Nb на основе сверхмалых монокристаллов трехмерного топологического изолятора, синтезированных методом физического осаждения из паровой фазы (PVD). В очередной раз, независимо, подтверждаем, что наши соединения являются баллистическими. При воздействии микроволнового излучения в соединениях появляются ступени Шапиро, но первая ступень отсутствует. Традиционно считается, что эффект отсутствующей первой ступени (MFS) не может наблюдаться при насыщении квазичастицами, поскольку при наличии квазичастиц подавляется 4pi-периодическая составляющая. В нашем эксперименте показано, что эффект MFS может проявляться даже на возвратной ветви ВАХ, что связано с интенсивной генерацией квазичастиц. Другими словами, эффект потерянной первой ступени имеет место в диссипативном режиме, в обычном SNS переходе, когда нормальные ядра джозефсоновских вихрей перемещаются через переход с большой скоростью. Эти результаты показывают, что 4pi-периодическая составляющая не является необходимым условием для исчезновения первой ступеньки. Кроме того, разработаны и изготовлены ассиметричные наносквиды на основе S/TI/S контактов для исследования ток-фазового соотношения. Предсказывалось, что экзотические явления квантового переноса, установившихся в джозефсоновских переходах (JJ), отражаются несинусоидальным соотношением ток-фаза (CPR). Часто применяемый метод измерения CPR заключается в использовании асимметричного двухконтактного сквида работающего в режиме постоянного тока, где свойства одного, эталонного JJ, хорошо известны. При этом эталонный контакт должен иметь высокий критический ток по сравнению с исследуемым. Мы применили этот метод для измерения CPR гибридных JJ на основе трехмерного ТИ Bi2Te2Se допированного Fe. В качестве эталона мы использовали, заранее охарактеризованный, сверхпроводящий наномостик. В результате экспериментов продемонстрированы как сильно асимметричные, так и синусоидальные осцилляции критического тока в пределах одного устройства, что противоречит уникальности CPR. Это означает, что широко используемый метод может давать неточное измерение CPR и привести к неправильной интерпретации. Было определено, что точность измерения CPR опосредована асимметрией производных CPR, а не критических токов, как считалось ранее. Был предложен способ для точного измерения CPR, который может быть использован в будущих экспериментах с эталонными CPR, отличными от тех, которые использовались ранее. Параллельно с этим, методами зондовой микроскопии было начато изучение нового магнитного топологического изолятора MnBi4Te7 в рамках метода сканирующей туннельной микроскопии. Поскольку на данный момент вопрос о влиянии локальных возмущений потенциала кристаллической решётки примесными атомами на наличие и величину магнитной щели в точке Дирака остаётся неясным, в качестве отправной точки исследования была проведена работа по идентификации точечных дефектов, присутствующих на поверхности (111)R естественного скола монокристалла. Данная поверхность состоит из поверхностных терминирований двух типов – Bi2Te3 (QL) и MnBi2Te4(SL). Было обнаружено, что на поверхности типа QL преобладают точечные дефекты донорного типа – вакансии в слоях атомов теллура VTe1, VTe3, VTe5, где индекс обозначает номер атомного слоя, начиная с поверхностного. Причём, концентрация VTe3 заметно выше, чем двух других типов дефектов. На поверхности, терминированной SL наблюдается высокая концентрация точечных дефектов, в большинстве случаев затрудняющая их идентификацию. Фактически, единственным надёжно установленным типом дефектов являются антиструктурные дефекты типа висмут на месте теллура BiTe. Проведена большая работа по отработке PVD синтеза, для дальнейшего развития данного направления и использования нанокристаллов при зондовых исследованиях. Исследования продемонстрировали влияние условий роста на морфологию, структурные и электронные свойства нанокристаллов. Были подобраны оптимальные параметры синтеза. Для локальных исследований электронных свойств подобного рода кристаллов разработана установка PVD синтеза совместимая с вакуумной камерой подготовки нашего STM микроскопа. Разработка позволяет перемещать образец с нанокристаллами сразу после синтеза, без разрыва вакуумного цикла в модуль сканирования низкотемпературного STM. В рамках теоретической части проекта был исследован спектр p - волнового сверхпроводника в разных геометриях. Для этих целей был использован формализм уравнений Боголюбова – де Жена, позволяющий выйти за рамки квазиклассического подхода. Более того, было изучено влияние внешнего магнитного поля на спектр подщелевых состояний в p - волновом сверхпроводнике. Показано, что энергетический спектр такой конечной структуры квантуется. При этом характерный энергетический масштаб такой системы при радиусе сопоставимом с длиной когерентности равен delta^2/Ef, где delta - сверхпроводящая щель, а Ef - энергия Ферми. Было также показано, что внешнее магнитное поле действует на энергетический спектр, так что при ненулевом поле подщелевые состояния сверхпроводника получают конечный сдвиг по энергии. Другой частью теоретической работы был переход сверхпроводник-нормальный металл, в котором сверхпроводящий потенциал есть комбинация потенциалов s-волн и p-волн исследовался с использованием техники уравнения Узаделя с граничными условиями Танаки-Назарова. Предложено несколько способов различения s + киральный и s + спиральный p-сверхпроводники, а также методика определения, имеет ли сверхпроводник смешанный парный потенциал. Показано, что разные спиновые сектора удовлетворяют независимым уравнениям и таким образом, можно рассчитать свойства структуры отдельно, даже если d-вектор зависит от направления импульса. Этот значительно упрощает решаемые уравнения. Было обнаружено, что разница в проводимости для секторов с противоположными спинами возникает, если присутствует как s-волновая, так и p-компонента, даже в отсутствие магнитного поля. Показано, что спин-поляризованная проводимость для s + киральный p-волновой и s + спиральный p-переходы качественно различается. Для структуры, содержащей два SN контакта, показано четкое различие между двумя типами сверхпроводимости. Также было теоретически изучена реализация спирального состояния в гибридной системе с пространственно разделенными сверхпроводимостью и обменным полем, рассматривая бислой сверхпроводник/ферромагнетик (S/F) поверх трехмерного топологического изолятора. Эта система характеризуется сильной синхронизацией спинового импульса и, следовательно, обеспечивает наиболее благоприятные условия для генерации спирального состояния. Анализ основан на микроскопической теории в терминах квазиклассических функций Грина. Показано, что в бислое спиральное состояние сохраняется, если обменное поле имеет ненулевую компоненту, перпендикулярную границе S/F, даже несмотря на то, что сверхпроводящий параметр порядка и обменное поле пространственно разделены. В то же время в этой пространственно-неоднородной ситуации спиральному состоянию сопутствуют спонтанные токи, распределенные по бислою таким образом, что результирующий ток обращается в нуль. Далее мы показываем, что это гибридное спиральное состояние порождает невзаимность в системе. Продемонстрирована реализация невзаимности в виде эффекта сверхпроводящего диода и исследована его зависимость от параметров бислоя.