КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-79-10018
НазваниеУправляемая кинетическая индуктивность на основе сверхпроводниковых гибридных структур с магнитными материалами
РуководительБакурский Сергей Викторович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-701 - Электронная элементная база информационных систем
Ключевые словакинетическая индуктивность, сверхпроводимость, ферромагнетизм, гибридные структуры, сверхпроводниковая электроника, спиновый вентиль
Код ГРНТИ47.39.35
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект посвящен исследованию гибридных структур, содержащих сверхпроводниковые и магнитные тонкие слои. Практическое значение проекта состоит в том, что при определенных условиях такие структуры можно использовать в качестве управляемой кинетической индуктивности в составе устройств сверхпроводниковой электроники.
В рамках проекта предполагается исследовать оригинальный вариант многослойной структуры, включающую в себя источник сверхпроводимости, спиновый вентиль, а также токонесущий слой из низкоомного металла. Изменение кинетической индуктивности предложенного класса структур достигается за счет управления магнитной подсистемой, что позволяет, например, открывать спиновый вентиль и наводить сверхпроводящие корреляции в токонесущий слой за счет эффекта близости. При этом кинетическая индуктивность системы уменьшится в несколько раз относительно закрытого состояния спинового вентиля.
В отличии от аналогичных структур на основе спиновых вентилей для управления кинетической индуктивностью, режим работы такого устройства не связан с подавлением потенциала спаривания в слое источнике, что расширяет рабочий интервал параметров для такой структуры и не приводит к появлению в контуре дополнительной слабой связи.
В рамках работ предполагается напыление многослойных структур Nb-Co(1.5)-Nb-Co(2.5)-Nb-Al, измерение резонансной частоты LC-контура на основе данных структур, проведение микроскопического анализа процессов в данных системах, а также исследование возможных применений и эффективности интеграции подобного элемента в схемы сверхпроводниковой электроники.
Наличие настраиваемого пассивного элемента в сверхпроводниковых цепях может решить сразу несколько вероятных проблем сверхпроводниковой электроники. С одной стороны, с помощью такого устройства можно будет производить тонкую настройку свойств цепи, например, подстраивать резонансную частоту, не изменяя свойств нелинейных элементов схемы. Данная особенность критически важна для устройств, которым нужно взаимодействовать с несколькими различными объектами на плате. С другой стороны, другие устройства, например, такие как синапсы нейроморфных систем, для своей функциональности требуют именно управляемый линейный элемент, который естественным образом получается на основе управляемой кинетической индуктивности.
Ожидаемые результаты
В ходе проекта будет проведено исследование кинетической индуктивности многослойных сверхпроводниковых гибридных структур с магнитным спиновым вентилем. В рамках работ будет изготовлен резонансный контур из многослойной структуры типа Nb-Co(1.5)-Nb-Co(2.5)-Nb-Al, а также исследована его резонансная частота для разных состояний магнитной подсистемы. Также будет проведено микроскопическое моделирование электронного транспорта в соответствующей многослойной структуре.
По итогам данных исследований станет понятна эффективность подобного устройства для управления кинетической индуктивностью в цепях сверхпроводниковой электроники. На основе полученных данных мы оценим возможность использования данных структур в сверхпроводниковых цифровых, нейронных, оптических и квантовых схемах.
Таким образом по результатам проекта может быть предложен базовый элемент для широкого спектра задач сверхпроводниковой электроники. Использование такого устройства позволило бы значительно сократить количество элементов в схемах, где требуется пассивный управляемый элемент для подстройки собственной частоты контура или силы синаптической связи.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В течении первого года работ по гранту были выполнены подготовительные работы, в том числе апробация измерительного контура для измерения кинетической индуктивности, исследования направленные на определение параметров слоев и границ, а также модельные задачи для определения целевых диапазонов параметров и толщин.
1) Изготовлены гибридные структуры в Nb(0-70)-Co(2.5) и Nb(0-70)-Al(40) с переменной толщиной сверхпроводника в форме клина, которые были нарезаны на несколько независимых элементов, обладающих фиксированной толщиной. Проведены измерения температурной зависимости сопротивления, и установлена зависимость критической температуры от толщины сверхпроводникового слоя. Экспериментальные зависимости аппроксимированы с помощью моделирования в рамках микроскопической теории. На основе проведенной аппроксимации установлены области материальных параметров для Nb, Co и Al и характеристики границ между этими материалами. Данные величины предполагается использовать для моделирования более сложных многослойных структур.
2) Проведена отработка технологии изготовления и метода измерения кинетической индуктивности сверхпроводящих гибридных структур на основе резонаторов типа сплит-ринг. На тестовых образцах обнаружена зависимость индуктивности системы от температуры, которая свидетельствует о значительной доли кинетической индуктивности. Разработана модель для описания зависимости резонансной частоты от температуры. С использованием данной модели получена аппроксимация экспериментальной зависимости.
3) В работе за отчётный период была исследована реализация спин-вентильного клапана на основе различных сверхпроводниковых структуры с ферромагнитными материалами. Вначале была рассмотрена гибридная S-F1-F-структура. Было проанализировано, как ведет себя сверхпроводимость в S-слое при различных толщинах плёнок. Было показано, что при перемагничивании ферромагнитной подсистемы параметр порядка в S-сверхпроводнике может значительно изменяться.
Была рассмотрена структура S-F-s1-F1-s-типа. Был обнаружен эффект значительного изменения величины потенциала спаривания тонкого s-слоя при перемагничивании одного из ферромагнетиков, что приводило к значительному изменению кинетической индуктивности сверхпроводникового слоя. Наибольшая эффективность спин-вентильного эффекта между параллельным и антипараллельным состоянием была обнаружена в окрестности 0−π-перехода гетероструктур. Такой эффект усиления эффекта можно использовать для обнаружения 0-π перехода в подобных системах.
Проведено исследование электронного коллектива S-F-s1-F1-s структур при неколлинеарной намагниченности ферромагнитных слоев. Обнаружено, что 0-π переход в таких структурах может происходить как скачком (при более толстом сверхпроводниковом слое), так и непрерывно (при более тонких s-слоях) по мере поворота относительной намагниченности.
В результате данных расчетов были обнаружены области материальных параметров, при которых может наблюдаться эффективный спин-вентильный эффект.
4) Приведены основы теории резонансного туннелирования электромагнитного сигнала через потенциальный барьер, образованный коллективом заряженных частиц. В отличие от обычного проводника, сверхпроводник обладает двумя типами носителей заряда, что приводит к возникновению комплексной части в диэлектрической проницаемости, расчет которой необходимо проводить в рамках микроскопической теории сверхпроводимости. Показано, что что многослойная система с чередующимися слоями с различной диэлектрической проницаемостью формирует сложный потенциал с запрещенными и разрешенными энергетическими зонами, в результате чего с точки зрения квантовой теории структура становится эквивалентна фотонному кристаллу. Этот факт напрямую влияет на процессы токо-переноса и изменение ориентации намагниченности ферромагнитных слоев при внешнем воздействии электромагнитным импульсом.
5) Приведён пример использования управляемой кинетической индуктивности для управления логическим элементом, что показывает возможный потенциал для создания сверхпроводниковых программируемых интегральных схем. Показано, что с помощью управляемой кинетической индуктивности можно изменять резонансную частоту считывающего резонатора в квантовых системах. Исследована возможность использования управляемой кинетической индуктивности в схемах параметрического усилителя.
Публикации
1. Неило А.А., Бакурский С.В., Кленов Н.В., Соловьев И.И., Куприянов М.Ю. Superconducting Valve Exploiting Interplay between Spin-Orbit and Exchange Interactions Nanomaterials, Nanomaterials 2022, 12(24), 4426 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/nao12244426
2. Щеголев А.Е., Кленов Н.В., Богатская А.В, Юсупов Р.Д., Попов А.М. A pair of coupled waveguides as a classical analogue for a solid-state qubit Sensors, Sensors 2022, 22(21), 8286 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/s22218286