• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта

Квантовые кооперативные явления при низких и сверхнизких температурах

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2017

Цель работы:

Целью настоящего проекта являлось исследование фундаментальных физических законов, определяющих при низких и сверхнизких температурах свойства трех типов низкоразмерных квантовых систем:

  • сверхпроводящих наноструктур мезоскопических размеров;
  • низкоразмерных магнетиков;
  • гибридных наноструктур на базе сверхпроводников, ферромагнетиков и топологических изоляторов.

Все три типа описанных выше систем объединяют три ключевых фактора. Первый, все они являются принципиально квантовыми объектами. Второй, все перечисленные явления - сугубо кооперативные и принадлежат к, так называемому, классу макроскопических квантовых эффектов. Третий, эти квантовые свойства проявляются исключительно при низких (< 10 K) или сверхнизких (< 1K) температурах.

Используемые методы:

Объекты исследований - наноструктуры - изготавливались методом взрывной электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления. Туннельные барьеры получались медленным окислением в вакуумной камере поверхности металла (например, алюминия) и последующего напыления ответного электрода без нарушения вакуума.  Измерения транспортных свойств проводились на автоматизированной установке на базе рефрижереаторе растворения He3He4 Oxford Instruments Kelvinox-400 при температурах от 10 мК до 1,7 К. Образцы низкоразмерных магнтеиков были получены методом твердофазного синтеза. Качество  и состав образцов контролировалось рентгеновскими методами. Магнитные и термодинамические свойства измерялись на установке Quantum Design PPMS при температурах от 1,5 К до 77 К.

Была разработана методика проведения измерений, использующая 4-х канальный осциллограф и генераторы синусоидальных сигналов, позволяющая проводить высокочастотные измерения на образцах RCL фильтров в широком температурном диапазоне: от комнатной до гелиевой температур.

Теоретический анализ и моделирование проводилось на базе формализма уравнений Боголюбова - де Жена с применением метода функций Грина в технике Матсубары. Использовались как аналитические методы, так и - в более общих случаях - численные подходы на базе пакетов аналитических и численных математических вычислений, как MATLAB, Wolfram Mathematica, PTC Mathcad.

Эмпирическая база исследования:

Измерения транспортных свойств проводились на автоматизированной установке на базе рефрижереаторе растворения He3He4 Oxford Instruments Kelvinox-400 при температурах от 10 мК до 1,7 К.

Для измерения АЧХ ВЧ фильтров они помещаются в экранированный объем на конце криовставки, которую можно охладить до гелиевой температуры, помещая ее в стандартный 10-литровый гелиевый транспортный дьюар СТГ-10. Измерения проводятся по четырехпроводной схеме, для чего через вставку к образцу пропущено четыре кабеля типа РК50-0,6-23. Основным измерительным прибором является 4-канальный цифровой осциллограф Tektronix TM TDS3054, работающий в полосе до 500 MHz, имеющий скорость выборки 5GS/s и позволяющей производить одновременную запись 10 000 9-битных данных по всем четырем каналам. В качестве источника измерительного радиочастотного сигнала используются: Agilent Technologies TM PSG CW signal generator E8257D (при работе на высоких частотах) и Stanford Research Systems TM 15 MHz synthesized function generator DS340 (при работе на низких частотах).

Магнитные и термодинамические свойства низкоразмерных магнетиков измерялись на установке Quantum Design PPMS при температурах от 1,5 К до 77 К.

Результаты работы:

Первое направление исследований – мезоскопическая сверхпроводимость.  Исследования велись в двух направлениях: методологическое – измерение АЧХ различных ВЧ фильтрова электромагнитного излучения; и экспериментальное – изучение эффекта квантовых флуктуаций параметра порядка в квазиодномерных каналах из сверхпроводящего титана.

Хорошо известно, что использование RLC фильтров значительно улучшает отношение сигнал / шум при сверхнизкотемпературных экспериментах. Были исследованы амплитудно-частотные характеристики RLC фильтров с сосредоточенными параметрами: самодельных пермаллоевых сердечников и коммерческих фильтров Wurth Elektronik. Было показано, что пермаллоевые фильтры эффективно подавляют внешние ВЧ наводки до частот порядка нескольких десятков МГц, а фильтры Wurth Elektronik - до частот порядка 2 МГц. И в том, и в другом случаях падение импеданса на больших частотах определяется емкостью намотанной на сердечник катушки, которая на этих частотах становится эффективным шунтом. Параметры исследованных RLC фильтров не деградируют при низких температурах, что подтверждает их пригодность в качестве элементов криогенных цепей. Также было отмечено, что криогенные коаксиальные кабели сами являются фильтрами на частотах более 1 ГГц. Следовательно, они могут использоваться в качестве низкочастотных подводящих цепей, но никак - не для высокочастотных измерений.

Были исследованы туннельные ВАХ С1-И-С2 контактов, где один из электродов - тонкий сверхпроводящий канал в режиме квантовых флуктуаций параметра порядка. Предложенная модель дает правильное описание формы таких ВАХ, однако полное количественное сравнение экспериментальных результатов с предсказаниями теории можно будет провести лишь после учета не только размытия плотности состояний за счет возбуждения плазмонных мод, но и «прямого» влияния квантовых флуктуаций параметра порядка на электронную плотность состояния N(E). Теоретическое описание такого влияния составит предмет отдельного исследования.

Второе направление исследований - низкотемпературный магнетизм. Были исследованы температурные зависимости теплоемкости С(Т), магнитной восприимчивости χ(T) и величины расщепления ∆(T) основного крамерсовского дублета иона Nd3+ в квазиодномерных антиферромагнетика (Y1-xNdx)2BaNiO5 различных составов x.  Впервые были исследованы магнитные свойства и спиновая динамика квазидвумерного теллурата натрия-кобальта Na3.70Co1.15TeO6. В этом соединении реализован новый структурный тип с квазиодномерным расположением ионов кобальта в магнитоактивных слоях, которые чередуются со слоями щелочного металла.

Третье направление исследований  - гибридные наноструктуры.

Теоретически изучены физические явления в SINIS гибридном турникете, находящемся в режиме кулоновской блокады. Теоретически разработан новый вид элементов памяти для сверхпроводниковой спинтроники на основе гибридных наноструктур с магнитными материалами с неколлинеарным магнитным упорядочением.

Степень внедрения, рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР

Изучение свойств низкоразмерных квантовых систем исключительно важно как с точки зрения фундаментальных вопросов физики конденсированного состояния, так и для применения таких элементов в наноэлектронных устройствах нового поколения. Проект  предполагает исследования в рамках приоритетного направления развития науки, технологий и техники РФ «Индустрия наносистем и материалов», и критических технологий РФ «Нанотехнологии и наноматериалы», «Технологии создания электронной компонентной базы» и «Технологии наноустройств и микросистемной техники».

Все результаты были получены впервые и  полностью соответствуют самому высокому международному уровню работ в исследовании  трех типов низкоразмерных квантовых систем: сверхпроводящих наноструктур мезоскопических размеров; низкоразмерных магнетиков; гибридных наноструктур на базе сверхпроводников, ферромагнетиков и топологических изоляторов.  По результатам исследований опубликованы статьи в реферируемых международных журналах, индексируемых в WoS и SCOPUS.

Публикации по проекту:


K. Yu. Arutyunov, Lehtinen J. S., Radkevich A. A., Semenov A. G., Zaikin A. D. Density of States of Narrow Superconducting Channels in the Regime of Quantum Fluctuations of the Order Parameter / Пер. с рус. // Physics of the Solid State. 2017. Vol. 59. No. 11. P. 2110-2113. doi
Pugach N., Safonchik M., Champel T., Zhitomirski M., Landeranta E., Eschrig M., Lacroix C. Superconducting spin valves controlled by spiral re-orientation in MnSi / Cornell University. Series cond-mat "arxiv.org". 2017. No. 1702.08828.
Арутюнов К. Ю., Lehtinen J. S. Квантовые осцилляции модуля параметра порядка в квазиодномерных сверхпроводниках // В кн.: "Нанофизика и наноэлектроника" Труды XXI Международного симпозиума. Н. Новгород : Издательство Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского, 2017. С. 23-24.
Popova E., Klimin S., Popova M., Klingeler R., Büchner B., Vasiliev A. EPJ Web of Conferences Vol. 185. , 2018. doi
Pugach N., Safonchik M., Champel T., Zhitomirski M., Landeranta E., Eschrig M., Lacroix C. Superconducting spin valves controlled by spiral re-orientation in B20-family magnets // Applied Physics Letters. 2017. Vol. 111. P. 162601-1-162601-5. doi
Popova E., Klimin S., Popova M., Klingeler R., Büchner B., Vasiliev A. Coexistence of the magnetically ordered and Haldane states in (Y1-xNdx)2BaNiO5, in: EPJ Web of Conferences Vol. 185: Moscow International Symposium on Magnetism (MISM 2017) . EDP Sciences, 2018. doi Ch. 03003. P. 1-4. doi
EPJ Web of Conferences Vol. 185: Moscow International Symposium on Magnetism (MISM 2017) . EDP Sciences, 2018. doi