Учёные Центра перспективной мезофизики и нанотехнологий (MEZO) МФТИ совместно с коллегами продемонстрировали новый механизм повышения эффективности планарных джозефсоновских переходов на основе Nb–Al–Nb наномостов. Работа опубликована в журнале Physical Review Applied.
В исследовании показано, что тонкий слой алюминия в планарных сверхпроводниковых мостах нельзя рассматривать как обычный нормальный металл. Его собственная сверхпроводимость существенно усиливает эффект близости — даже при температурах выше собственной критической температуры алюминия. Это приводит к заметному росту критического тока и сохранению безгистерезисного режима работы при температуре жидкого гелия (4 K), что критически важно для цифровой сверхпроводниковой электроники.
Сверхкомпактные джозефсоновские элементыРазработанные Nb–Al–Nb наномосты с расстоянием между электродами порядка 100 нм демонстрируют:
критический ток около 50 мкА,
нормальное сопротивление порядка 20 Ом,
характеристическое напряжение около 1 мВ,
площадь активной области ~5×10⁴ нм²,
отсутствие гистерезиса при 4 K,
плотность критического тока порядка 10⁵ А/см².
Такие параметры сопоставимы с характеристиками традиционных туннельных Nb–AlOx–Nb переходов по произведению IcRn, однако позволяют существенно уменьшить площадь элемента и повысить потенциальную плотность интеграции сверхпроводниковых схем.
«Мы показали, что алюминий в таких структурах нельзя считать просто нормальным металлом. Его собственная сверхпроводимость усиливает индуцированные корреляции и фактически расширяет рабочий температурный диапазон наномоста. Это даёт выигрыш по критическому току без увеличения размеров структуры», — отмечает первый автор работы, аспирант МФТИ К.Б. Полевой.
Почему алюминий оказался ключевым
В классических SNS-мостах связь между сверхпроводящими электродами формируется исключительно за счёт индуцированных корреляций в нормальном металле. В данной работе показано, что в случае алюминия ситуация принципиально иная: его собственная сверхпроводимость усиливает эффект близости и приводит к формированию более устойчивого сверхпроводящего состояния в слабой связи.
Для описания этого режима была построена самосогласованная микроскопическая модель на основе уравнений Узаделя. Показано, что стандартная SN–N–NS модель не позволяет корректно воспроизвести экспериментальные зависимости Ic(T). Только учёт собственной сверхпроводимости алюминия обеспечивает согласие теории и эксперимента.
Контроль интерфейсов на атомарном уровнеВысокое качество структур подтверждено методом просвечивающей электронной микроскопии. Обнаружены атомарно резкие границы Nb/Al, минимальная взаимная диффузия и эпитаксиальная согласованность слоёв. Благодаря тому, что длина когерентности в алюминии превышает характерные размеры зерен ниобия, происходит эффективное самоусреднение интерфейсных неоднородностей, что обеспечивает воспроизводимость параметров.
Значение для технологийПолученные результаты открывают путь к созданию сверхкомпактных активных элементов для:
цифровых SFQ-схем нового поколения,
криогенной сверхпроводниковой логики,
интерфейсов квантовых процессоров,
нейроморфных сверхпроводниковых систем.
Ключевым преимуществом является возможность миниатюризации без внешнего шунтирования и без ухудшения характеристик при рабочих температурах порядка 4 K.
«Сегодня сверхпроводниковая электроника стоит перед задачей радикального увеличения плотности интеграции. Наш подход показывает, что за счёт грамотной инженерии эффекта близости можно уменьшать размеры элементов до десятков нанометров, сохраняя высокие электрические параметры. Это важный шаг к масштабируемым криогенным вычислительным системам», — подчёркивает директор Центра MEZO МФТИ, профессор В.С. Столяров.
Таким образом, продемонстрирован новый подход к инженерии эффекта близости в планарных структурах, который может стать основой для следующего этапа развития сверхпроводниковой микро- и наноэлектроники.
