Спектроскопия сверхпроводящих гибридных наноструктур

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 проекта 15-12-30030

НазваниеСпектроскопия сверхпроводящих гибридных наноструктур

Руководитель Голубов Александр Авраамович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №9 - Конкурс 2015 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с представлением результатов в рамках международной конференции (конгресса)»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-209 - Низкие температуры и сверхпроводимость

Ключевые слова сверхпроводимость, эффект близости, эффект Джозефсона, Сканирующая Туннельная Спектроскопия, тонкие пленки, наноструктуры, сверхпроводниковые гетероструктуры, Сканирующая Туннельная Микроскопия, топологические системы, когерентное квантовое проскальзывание фазы

Код ГРНТИ29.19.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемые исследования будут направлены на обнаружение и изучение новых квантовых эффектов в неоднородных сверхпроводящих системах. В рамках данного проекта предполагается провести экспериментальные и теоретические исследования пространственной неоднородности и разрушения квантовой когерентности в сложных гибридных сверхпроводящих наноразмерных гетероструктурах и гранулированных сверхпроводниках. Для экспериментальных исследований в гибридных планарных когерентных системах и гранулированных сверхпроводниках будут изготовлены тонкопленочные гибридные структуры с размерами элементов, сравнимыми с такими характерными длинами как сверхпроводящая длина когерентности, глубина проникновения магнитного поля в сверхпроводник, длина спиновой диффузии. В качестве объектов исследования будут использованы гетероструктуры сверхпроводник -нормальный металл (S-N), сверхпроводник –ферромагнетик (S-F), сверхпроводник - топологический изолятор (S-TI) и тонкие пленки сверхпроводящих металлов W, Nb, V, NbN, Pb, In. Предполагается использовать два подхода для приготовления образцов. 1. Выращивание тонкопленочных структур in situ в условиях сверхвысокого вакуума в камере подготовки измерительного комплекса. 2. Использовать оригинальную методику «отрыва», позволяющую проводить исследования атомно чистых поверхностей тонкопленочных (в том числе гибридных) наноструктур приготовленных ex situ с использованием техники магнетронного распыления, фото и электронной литографии. Возможность формирования сложных геометрических структур позволит изучить ряд физических явлений, таких как потеря квантовой когерентности сверхпроводящего состояния вблизи границы перехода сверхпроводник-1 – сверхпроводник-2, сверхпроводник – несверхпроводник и т.д. Локальные исследования сверхпроводящих свойств будут проводиться при помощи сканирующей туннельной спектроскопии с использованием сверхвысоковакуумного (P<1*10^-10mBar) низкотемпературного (T=0.8 K) сканирующего туннельного микроскопа. В условиях неравновесности будут проведены, по всей видимости, первые в мире эксперименты по изучению спонтанных флуктуаций тока (дробового шума) в гибридных структурах S-TI. Эти исследования позволят судить о влиянии сильного спин-орбитального взаимодействия, топологической защиты и Андреевского отражения на статистику протекания заряда в таких структурах. Шумовые исследования особенно актуальны в режиме разупорядоченного диффузионного транспорта в TI, когда соответствующие особенности в транспортных характеристиках слабо выражены. Кроме того, в условиях электронного перегрева будет изучен механизм теплоотдачи от поверхностных состояний в TI фононной подсистеме, что послужит для независимой проверки их двумерного происхождения. Теоретическая часть проекта будет выполнена при участии ведущих теоретиков в данной области и будет посвящена анализу особенностей электронной структуры и плотности состояний в тонкопленочных S-N, S-F и S-TI структурах, а также исследованию электронного транспорта в джозефсоновских контактах, содержащих в области слабой связи многослойные структуры, включающие тонкие сверхпроводящие, нормальные и ферромагнитные пленки. Актуальность данных исследований обусловлена как необходимостью получения новых фундаментальных знаний об эффекте близости, то есть о природе и свойствах наведенной в не сверхпроводящие материалы сверхпроводимости, так и непрерывно нарастающими усилиями, направленными на использовании эффекта близости в устройствах сверхпроводниковой спинтроники, которые могут быть использованы в качестве управляющих элементов сверхпроводниковой памяти. Необходимо отметить, что фундаментальные исследования в области сосуществования двух упорядоточений, - сверхпроводящего и ферромагнитного, - являются одной из динамично развивающихся областей физики конденсированного состояния. За прошедшие 10 лет со дня первого экспериментального подтверждения необычного свойства джозефсоновских SFS структур – существования так называемых пи-контактов, т.е. переходов с отрицательным значением критического тока, - в этой области было открыто много интересных, практически важных эффектов. К ним, в первую очередь, следует отнести осциллирующие зависимости критического тока от расстояния между сверхпроводящими электродами, генерацию слабозатухающих и не осциллирующих триплетных сверхпроводящих корреляций (Long Range Proximity Effect, LRPE), эффект безосцилляционного проникновения синглетной сверхпроводящей компоненты вдоль «чистых» доменных стенок в F пленку, а также эффект генерации LRPE на границе доменов с неколлинеарной ориентацией намагниченности. Однако до настоящего времени остаются слабо изученными такие практически важные аспекты взаимодействия сверхпроводимости и магнетизма как влияние магнитной подсистемы гетероструктур на структуру абрикосовских вихрей, а также размеров и структуры магнитных доменов и наличие областей включений нормальной фазы в области слабой связи джозефсоновских структур. Исследование этих эффектов определяет одну из сторон научной новизны предлагаемого проекта. Сформулированные в проекте теоретические задачи, несомненно, достижимы поскольку для их решения планируется использовать хорошо разработанный аппарат микроскопической теории сверхпроводимости. Авторы проекта имеют существенный задел, опыт, знания и умения в использовании этого аппарата для аналитических и численных расчетов параметров джозефсоновских контактов и проведения их всесторонних исследований. Это однозначно свидетельствует в пользу достижимости запланированных результатов. Когерентное квантовое проскальзывание фазы (CQPS) является одним из моногообещающих направлений современной физики благодаря новым интересным и уникальным свойствам и различным применениям. Среди применений: квантовая информатика (сверхпроводниковые кубиты без джозефсоновских переходов), метрология (стандарты тока, дуальные стандартам напряжения на СКВИД-ах). Этот эффект изучался теоретически, но экспериментально был продемонстрирован только недавно. Несмотря на первую демонстрацию, этот эффект всё ещё практически не изучен из-за трудности в реализации. Наш проект имеет целью изучить физику CQPS для будущих практических разработок приборов. Экспериментальная и технологическая части проекта будет выполнены с использованием опыта сотрудников как российских так и иностранных Институтов и лабораторий, сотрудничающих с лабораториями междисциплинарного Центра фундаментальных исследований МФТИ: "Квантовые наноструктуры" (рук. М.Р. Трунин), "Топологические квантовые явления в сверхпроводящих системах" (рук. А.А. Голубов), «Искусственные квантовые системы» (рук. О.В. Астафьев). Непосредственными партнерами этих лабораторий МФТИ являются Institut des Nanosciences de Paris Sorbonne Universit (Франция), Институт физики твердого тела РАН (Россия), Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux (Франция), Twente University (Нидерланды) и Royal Holloway University of London (Англия). Использование опыта этих дружественных исследовательских коллективов позволит вывести на новый мировой уровень российскую науку в области физики зондовой микроскопии в условиях сверхнизких температур и сверхвысокого вакуума и позволит получить новые данные об электронной структуре исследуемых нанообъектов с высоким пространственным и спектральным разрешением. Using the experience of these friendly research teams will bring a new level of global Russian science in physics probe microscopy under ultralow temperatures and ultrahigh vacuum and will provide new data on the electronic structure of the investigated nanostructures with high spatial and spectral resolution. Обязательным результатом проекта будет проведение большой международной конференции "Сверхпроводящие гибридные наноструктуры: физика и применения" и двух международных школ "Нанофизика и наноэлектроника" на территории МФТИ (Долгопрудный), где планируется затронуть самые актуальные вопросы физики сверхпроводниковых гетероструктур. Проведение конференции позволит выделить пионерские направления исследований по данной теме и сконцентрировать исследовательские силы на передовых экспериментах. Школы позволят подготовить поколение молодых ученых в области физики и технологий наносистем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. С.В. Бакурский, М.Ю. Куприянов, А.А. Баранов, А.А. Голубов, Н.В. Клёнов, И.И. Соловьёв Эффект близости в многослойных структурах с чередующимися ферромагнитными и нормальными слоями Письма в "Журнал экспериментальной и теоретической физики", том 102, вып. 9, с. 670 – 677 (год публикации - 2015)
10.7868/S0370274X15210043

2. Bo Lu, Keiji Yada, A. A. Golubov, and Yukio Tanaka Anomalous Josephson effect in d-wave superconductor junctions on a topological insulator surface PHYSICAL REVIEW B, Номер статьи: 100503 Том: 92 Выпуск: 10 (год публикации - 2015)
10.1103/PhysRevB.92.100503

3. M Snelder, A A Golubov, Y Asano and A Brinkman Observability of surface Andreev bound states in a topological insulator in proximity to an s-wave superconductor JOURNAL OF PHYSICS-CONDENSED MATTER, Том: 27 Выпуск: 31 Номер статьи: 315701 (год публикации - 2015)
10.1088/0953-8984/27/31/315701

Публикации

1. Головчанский И.А., Столяров В.С., Куприянов М.Ю., Голубов А.А., Рязанов В.В. Micromagnetic modeling of critical current oscillations in magnetic Josephson junctions PHYSICAL REVIEW B (год публикации - 2016)

2. Головчанский И.А., Столяров В.С., Рязанов В.В. Magnetization dynamics in dilute Pd1-xFex thin films and patterned microstructures considered for superconducting electronics JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, Том: 120 Выпуск: 16 Номер статьи: 163902 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4965991

3. Голубов А.А., Куприянов М.Ю. Abrikosov vortices in SF bilayers JETP Letters (год публикации - 2016)
10.7868/S0370274X16240061

4. Голубов А.А. Influence of the impurity scattering on charge transport in unconventional superconductor junctions PHYSICAL REVIEW B, Том: 94 Выпуск: 1 Номер статьи: 014504 (год публикации - 2016)
10.1103/PhysRevB.94.014504

5. Бакурский С.В., Куприянов М.Ю., Голубов А.А. Superconducting phase domains for memory applications APPLIED PHYSICS LETTERS, Том: 108 Выпуск: 4 Номер статьи: 042602 (год публикации - 2016)
10.1063/1.4940440

6. Голубов А.А., Храпай В.С. Andreev Reflection in an s-Type Superconductor Proximized 3D Topological Insulator PHYSICAL REVIEW LETTERS, Том: 117 Выпуск: 14 Номер статьи: 147001 (год публикации - 2016)
10.1103/PhysRevLett.117.147001

7. Астафьев О.В. Coherent dynamics and decoherence in a superconducting weak link PHYSICAL REVIEW B, 94, 180508(R) (год публикации - 2016)
10.1103/PhysRevB.94.180508

Публикации

1. Бакурский С.В., Клёнов Н.В., Соловьев И.И., Куприянов М.Ю., Голубов А.А. Observability of surface currents in p-wave superconductors SUPERCONDUCTOR SCIENCE & TECHNOLOGY, Том 30, Выпуск 4, Номер статьи 044005 (год публикации - 2017)
10.1088/1361-6668/aa5f3d

2. Бакурский С.В., Филиппов В.И., Ружицкий В.И., Клёнов Н.В., Соловьёв И.И., Куприянов М.Ю., Голубов А.А. Current-phase relations in SIsFS junctions in the vicinity of 0-pi transition PHYSICAL REVIEW B, Том 95, Выпуск 9, Номер статьи 094522 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevB.95.094522

3. Хашимото Т., ГолубовА.А., Танака Ю., Линдер Я. Tunability of Andreev levels via spin-orbit coupling in Zeeman-split Josephson junctions PHYSICAL REVIEW B, Том 96, Выпуск 13, Номер статьи 134508 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevB.96.134508

4. Каваи К., Яда К., Танака Ю., Асано Я., Голубов А.А., Кашивая С. Josephson effect in a multiorbital model for Sr2RuO4 PHYSICAL REVIEW B, Том 95, Выпуск 17, Номер статьи 174518 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevB.95.174518

5. Скрябина О.В., Егоров С.В., Гончарова А.С., Клименко А.А., Козлов С.Н., Рязанов В.В., Бакурский С.В., Куприянов М.Ю., Голубов А.А., Напольский К.С., Столяров В.С. Josephson coupling across a long single-crystalline Cu nanowire APPLIED PHYSICS LETTERS, Том 110, Выпуск 22, Номер статьи 222605 (год публикации - 2017)
10.1063/1.4984605

6. Васенко А.С., Голубов А.А., Силкин В.М., Чулков Е.В. Unconventional Pairing in Three-Dimensional Topological Insulators with a Warped Surface State JETP LETTERS, Том 105, Выпуск 8, Стр.: 497-501 (год публикации - 2017)
10.1134/S0021364017080082

7. Васенко А.С., Голубов А.А., Силкин В.М., Чулков Е.В. Odd-frequency superconductivity induced in topological insulators with and without hexagonal warping JOURNAL OF PHYSICS-CONDENSED MATTER, Том 29, Выпуск 29, Номер статьи 295502 (год публикации - 2017)
10.1088/1361-648X/aa75c3

8. Бубис А.В., Денисов А.О., Петруша С.Ю., Батов И.Е., Храпай В.С., Беккер Ж., Трэу Ж., Рухсторфер Д., Коблмюллер Г. Proximity effect and interface transparency in Al/InAs-nanowire/Al diffusive junctions SEMICONDUCTOR SCIENCE AND TECHNOLOGY, Том 32, Выпуск 9, Номер статьи 094007 (год публикации - 2017)
10.1088/1361-6641/aa7eef

9. Бакурский С.В., Голубов А.А., Куприянов М.Ю., Хапаев М.М. Reversing direction of supercurrent circulation in SIF sandwich with Abrikosov vortex Book of Abstracts, Moscow International Symposium on Magnetism (MISM 2017), Стр. 349 (год публикации - 2017)

10. Бакурский С.В., Клёнов Н.В., Соловьёв И.И., Куприянов М.Ю., Голубов А.А. Спонтанные токи на диффузных и чистых металлических поверхностях хирального p-wave сверхпроводника Труды XXI Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника" в 2 т., Нижний Новгород, Изд-во Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского, Том 1, Стр.25-26 (год публикации - 2017)

11. Бакурский С.В., Соловьев И.И., Кленов Н.В., Куприянов М.Ю., Голубов А.А. Многозначные ток-фазовые зависимости в области 0-π перехода в джозефсоновских SIsFS контактах Труды XXI Международного симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника" в 2 т., Том 1, Нижний Новгород, Издательство Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского, Том 1, Стр. 27-28 (год публикации - 2017)

12. Линцен С.,Зиглер М., Астафьев О.В., Шмелц М., Хабнер У., Дигель М., Ильичев Е., Мейер Х.Г. Structural and electrical properties of ultrathin niobium nitride films grown by atomic layer deposition SUPERCONDUCTOR SCIENCE & TECHNOLOGY, Том 30, Выпуск 3, Номер статьи 035010 (год публикации - 2017)
10.1088/1361-6668/aa572a

13. Бакурский С.В., Филиппов В.И., Ружицкий В.И., Клёнов Н.В., Соловьёв И.И., Куприянов М.Ю., Голубов А.А. MULTI-VALUED CURRENT PHASE RELATIONS IN JOSEPHSON JUNCTION WITH COMPLEX -ISF- INTERLAYER Book of Abstracts, Moscow International Symposium on Magnetism, Стр. 350 (год публикации - 2017)

14. Дутт А., Голубов А.А., Долгов О.В., Ефремов Д.В. Quasiparticle interference in multiband superconductors with strong coupling PHYSICAL REVIEW B, Том 96, Выпуск 5, Номер статьи 054513 (год публикации - 2017)
10.1103/PhysRevB.96.054513