Аннотация
В настоящее время одним из наиболее перспективных и востребованных направлений развития электроники является поиск новых функциональных материалов с уникальными квантовыми свойствами, поскольку именно ставка на фундаментальные квантовые свойства материалов может обеспечить предельно достижимые, рекордные характеристики создаваемых приборов и устройств. Целью проекта является формирование физических основ для создания класса принципиально новых элементов и приборов пост-кремниевой электроники. Фундаментальный фокус проекта сосредоточен на исследовании возможностей применения в данной области функциональных квантовых материалов с топологически защищенными электронными подсистемами, сочетающих объемные магнитные свойства, и материалов, в которых реализовано сосуществование сверхпроводимости и магнетизма на атомарных масштабах. Прикладная часть проекта направлена на разработку, исследование и внедрение цифровых, аналоговых и квантовых наноустройств, реализованных на основе новых материалов и явлений. Планируется, что устройства будут работать как на постоянном токе, так и на частотах СВЧ диапазона. Предполагаемые к разработке принципиально новые устройства будут функционировать на основе принципов управления зонной структурой, электронной и фазовой когерентностью, квантовой суперпозицией, а также взаимодействием сверхпроводящего и магнитного параметров порядка соответствующих подсистем. Будут разработаны и предложены конкретные материалы и криогенные приборы для использования в цифровых и квантовых технологиях, заинтересованность в которых была высказаны промышленными партнерами проекта. Реализация проекта требует использования междисциплинарного подхода, основанного на современных экспериментальных методах исследования и диагностики функциональных микро- и наноструктур при криогенных температурах с беспрецедентным подавлением шумов, зондовой микроскопии и спектроскопии, химических методах синтеза монокристаллических материалов, передовых тонкопленочных технологиях. Для решения задач проекта будет реализовано соответствующее теоретическое сопровождение при участии ведущих ученых в данной области. Таким образом, проект разделен на четыре взаимосвязанных части, посвященных исследованиям магнитных топологических изоляторов, гибридных систем сверхпроводник-ферромагнетик, разработке управляющих элементов сверхпроводниковых квантовых схем и конкретных устройств на их основе, а также разработке элементов криогенной термометрии в милликельвиновом диапазоне. Планируемые к разработке устройства на сегодня в России не производятся, поэтому решение поставленных в проекте задач будет также способствовать прогрессу в области импортозамещения.
Ожидаемые результаты
Проект нацелен на получение значимых научных результатов в быстро развивающейся во всём мире области квантовых устройств, создаваемых на основе новых функциональных материалов. Мы уверены, что уровень полученных нами оригинальных результатов надежно обеспечит возможность их опубликования в наиболее высокорейтинговых ведущих международных журналах, индексируемых в Web of Science и Scopus, и, таким образом, продемонстрирует высокий уровень современной фундаментальной и прикладной российской науки. Целенаправленное использование уникальных свойств новых материалов позволит получить научные результаты, обеспечивающие качественный прогресс в технологической реализации цифровых и квантовых устройств. Наши исследования в области новых материалов и их использование для реализации вычислительных устройств и сенсоров, работающих на новых физических принципах, позволят вывести конструирование цифровых и квантовых элементов на качественно более высокий уровень. Так, например, сможет быть решена проблема масштабирования и устойчивости систем к электромагнитным возмущениям, зачастую за счет перевода их функционала на новые физические принципы. Одной из прикладных задач проекта является разработка высокочастотных криогенных генераторов и циркуляторов расположенных непосредственно на микрочипе, необходимых для оптимизации управления квантовыми элементами. В развитии данного направления заинтересован наш партнер - ФГУП “ВНИИА им. Н.Л.Духова”, который специализируется на развитии систем автоматизированного управления. ФГУП “ВНИИА им. Н.Л.Духова” разрабатывает коммерческие продукты в области систем автоматизации и использования новых функциональных материалов и будет принимать участие в финансировании настоящего проекта для развития своего потенциала. Другой задачей проекта является разработка криогенных термометров для измерения милликельвиновых температур, способных фиксировать как фононные, так и электронные возбуждения. В данной разработке заинтересован второй партнер проекта, компания ООО “Криотрейд Инжиниринг”, который планирует применение таких термометров в разрабатываемых ими криогенных установках. Сосредоточение используемых в проекте компетенций в одном из самых сильных в областях физики и технологии вузов России, МФТИ, позволит привлечь и удержать в фундаментальной и прикладной науке большое количество молодых исследователей, от бакалавров и магистров до аспирантов и молодых кандидатов наук. Опыт, полученный в ходе выполнения проекта, поможет им стать высококвалифицированными специалистами, необходимыми в настоящее время Российской индустрии высоких технологий. Образовательная часть проекта внесёт существенный вклад в национальную программу развития научно-технического потенциала страны.