Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проект разделен на 4 взаимосвязанных направления. Направление А. Синтез, экспериментальное и теоретическое исследование свойств магнитных материалов с топологическими свойствами и изготовление сверхпроводящих устройств на их основе. Были синтезированы чистые кристаллы антиферромагнитного топологического изолятора (ТИ) MnBi2Te4 и получены монокристаллы магнитных ТИ более сложного состава GexMn1−xBi2Te4 и Mn(BiySb1 − y)2Te4. Рост кристаллов GexMn1−xBi2Te4 осуществлялся из расплава стехиометрического состава GexMn1−xBi2Te4, где параметр x соответствует целевому составу. Кроме того, в рамках проекта были синтезированы кристаллы EuT2Pn2. Электронная структура полученных кристаллов исследовалась методами фотоэлектронной спектроскопии. Изучались также изоструктурные соединения семейства 122, в частности состав GdRu2Si2, в котором значительный интерес вызывает недавнее открытие квадратной решетки магнитных скирмионов с рекордно малым периодом. Магнитные свойства магнитно-разбавленных ТИ GexMn1−xBi2Te4 исследовались при помощи методов СКВИД-магнитометрии и магнитно-силовой микроскопии. Проведены прецизионные исследования электронной структуры кристаллов GdRu2Si2 с использованием измерений фотоэмиссии с разрешением по импульсу (ARPES) и расчетов из первых принципов, что позволило охарактеризовать особенности поверхности Ферми. В отчетный период отработано изготовление асимметричных сквидов и метод измерения соотношения тока и фазы (СТФ) гибридных джозефсоновских контактов с прослойкой из трехмерного топологического изолятора Bi2Te2Se. Разработана теоретическая модель для измерения СТФ. Проведенные расчёты хорошо описывают эксперимент и закладывают основу для будущих корректных измерений СТФ. Изучался эффект сверхпроводящего диода (ЭСД), который привлекает большое внимание в связи с новыми перспективами его использования в сверхпроводниковой электронике. Возможной реализацией ЭСД может стать сверхпроводящая гибридная структура типа сверхпроводник/ферромагнетик/топологический изолятор (С/Ф/TИ). Были определены параметры, оказывающие решающее влияние на величину добротности ЭСД. Направление В. Cинтез, экспериментальное и теоретическое исследование свойств магнитных сверхпроводников, изготовление сверхпроводящих устройств на их основе. В сотрудничестве с группой проф. И.В. Морозова (МГУ) были синтезированы монокристаллы EuFe2(As1−xPx)2 (x=0.14, 0.17, 0.19) методом раствора в расплаве. В качестве исходных материалов использовалась смесь бинарных пниктидов железа (FeP, FeAs), которые готовились методом отжига в твердой фазе и металлического европия. Образцы были охарактеризованы при помощи электрон-транспортных измерений, а так же методами SEM, EDX, XRF, XPS и ARPES. Было показано, что в данных соединениях электроны разделены как структурно, так и по энергии. Энергетические свойства и свойства основного состояния электронов Eu 4f были исследованы с помощью фотоэмиссионных измерений. Показано, что Eu 4f не вносит вклад в сверхпроводящее поведение. По результатам исследований подготовлена статья в печать. Для исследования электрон-транспортных свойств были изготовлены образцы для измерений транспортных свойств как в геометрии Холловского мостика, так и в четырёхточечной геометрии. Построена теория магнитных свойств в смешанном состоянии и изучена статистика магнитного поля в межтиповых сверхпроводниках. Иследована эволюция магнитного отклика смешанного состояния межтипового (интертипного) сверхпроводника в зависимости от приложенного магнитного поля. Анализ эволюции вихревых конфигураций был сделан в рамках теории возмущений для микроскопической теории сверхпроводимости. Показано, что интертипный режим практически не зависит от микроскопических параметров материала, что дает беспрецедентную возможность систематического изучения деталей всего режима интертипной сверхпроводимости. Изучалась сверхпроводимость при наличии примесей и беспорядка с пространственными корреляциями, в частности статистические свойства сверхпроводящего состояния в зависимости от силы беспорядка и степени его корреляции на дальних расстояниях. Получена зависимость сверхпроводящего перехода от силы беспорядка и степени его корреляции. Расчеты проведены в рамках микроскопической теории сверхпроводимости. Изучался магнитный отклик массивов сверхпроводящих проволок. Проведены расчеты магнитного отклика сверхпроводящих нано-проволок, помещенных в матрицу диэлектрика. Расчеты проведены в рамках теории Гинзбурга-Ландау, дополненной временной зависимостью и уравнениями Максвелла-Ампера для вычисления магнитного поля снаружи образца. Такой подход позволил вычислять временную эволюцию сверхпроводимости и переход к метастабильным состояниям. Направление С. Реализация криогенного генератора сигналов и циркулятора. Генераторы импульсов и циркуляторы, предложенные к разработке в данном проекте, объединяют в себе множество эффектов связанных с сочетанием свойств сверхпроводящих, несверхпроводящих и магнитных материалов. Подбор необходимых материалов для реализации устройств основывался на предварительных расчетах и экспериментах. Расчеты были выполнены в рамках двумерного уравнения Гинзбурга-Ландау. Была развита теория планарных джозефсоновких контактов (ДК), учитывающая площадь перекрытия сверхпроводящего и несверхпроводящего материалов, а также релаксацию тепла в подложку и электроды. Продемонстрирована эффективность использования планарных джозефсоновских контактов для реализации сверхпроводящих устройств типа генератор. После отработки технологии были реализованы планарные джозефсоновские контакты, встроенные в резонатор. Изученные системы продемонстрировали не наблюдавшийся ранее гистерезисный эффект, который может стать основой реализации сверхпроводящего элемента памяти, основанного на бистабильности длинных джозефсоновских контактов (ДК). Управляемое переключение между состоянием перехода без захваченного в него джозефсоновского вихря (ДВ) и его состоянием с одним ДВ достигается путем подачи импульса внешнего магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости планарного ДК. Отработано напыление сверхпроводящих пленок MoRe и изучены их сверхпроводящие свойства. Результаты опубликованы в новом международном журнале Mesoscience and Nanotechnology, основанном в сентябре 2023 года основными исполнителями проекта (https://jmsn.colab.ws/publications/01-01002). В отчетный период был реализован генератор, представляющий собой систему, состоящую из джозефсоновского перехода, микроволнового резонатора, шунтирующей ёмкости и шунтирующего сопротивления. Такой генератор работает при температуре 20 мК на частоте, соответствующей управлению кубитами. Для определения диапазона рабочих параметров такой системы, при которых имеется возможность получения устойчивости генерации, было проведено моделирование, основыванное на численном решении уравнений, описывающих динамику джозефсоновского перехода. Направление D. Реализация термометров работающих в милликельвиновом диапазоне Разработана 3D модель и заказана высоковакуумная камера. Готовится специальное помещение повышенной чистоты класса ISO8. Проведена технологическая работа по изготовлению пленок Циркония. Была подобрана мишень для магнетронного распыления. Мишень установлена в имеющуюся в доступе магнетронную установку. Проведены тестовые напыления пленок, для чего были подобраны параметры напыления. В качестве подложек использовался специально приобретённый сапфир. Проведены низкотемпературные измерения пленок в рефрижераторе растворения замкнутого цикла BlueFors, где в диапазоне от 0,1К до 300К была измерена зависимость сопротивления от температуры. Измерения показали, что пленка по своим характеристикам соответствует табличным данным проводимости. Для дальнейшей работы с пленками был спроектирован дизайн метализации из золота для напыления на пленку циркония через маску резиста, сформированную фотолитографией.