Направления исследований

Графен не требует особого представления. Это слой углерода толщиной в один атом, по сути - отдельная атомная плоскость, извлеченная из массивного графита. После интенсивных исследований в течение последнего десятилетия фундаментальные свойства графена теперь хорошо изучены, и акцент сместился с фундаментальной физики на поиск новых приложений и продвижение этого материала в промышленные продукты. В контексте этого важно подчеркнуть, что, несмотря на публикацию сотен тысяч научных статей о графене, этот материал продолжает преподносить сюрпризы даже с точки зрения фундаментальной физики. Такая долговечность довольно неожиданна, и основной причиной этого является тот факт, что качество графеновых устройств резко улучшилось за последние 5 лет. Электронное качество графена обычно описывается с точки зрения подвижности носителей заряда. За десять лет она выросла с ∼10 000 см2В-1с-1 до ∼106 см2В-1с-1 – значения, обычно ограниченного достижимым размером графеновых устройств. Даже при комнатной температуре длина свободного пробега носителей заряда в графене составляет около микрона и может легко превышать 10 мкм при температурах жидкого гелия, когда рассеяние на границах устройства становится доминирующим. Улучшение качества привело к возможности использовать графен для решении новых физических задач, которые ранее были либо неизвестны, либо недоступны экспериментально. Графен стал огромной областью исследований. Ниже приводится несколько направлений исследований:

Электронная гидродинамика. Носители заряда в металлах и полупроводниках часто описываются как движущиеся бильярдные шары или пули. Однако если рассматривать кулоновское взаимодействие между электронами, такой упрощенный взгляд на электронный транспорт становится в корне неверным. Действительно, эти взаимодействия заставляют электроны быстро рассеиваться друг на друге, что превращает их в вязкий поток. Его вязкость должна изменяться при понижении температуры. Причина, по которой такое вязкое течение не наблюдалось экспериментально, заключается в том, что электроны также рассеиваются на дефектах кристалла, фононах и других дефектах. Они не позволяют появиться коллективному движению. Тем не менее, теоретически хорошо установлено, что в чистых металлических системах электроны должны вести себя как высоковязкая жидкость. Несмотря на интерес к этой теме на протяжении многих десятилетий [Sov. Phys. Uspekhi 11, 255 (1968)], оказалось трудно проверить эту концепцию экспериментально с помощью однозначных наблюдений [Phys. Rev. B 51, 13389 (1995)]. На помощь пришел графен благодаря чрезвычайно слабой электрон-фононной связи в нем, в сочетании с последними достижениями в улучшении его электронного качества. Это позволило графеновым устройствам быть достаточно чистыми с точки зрения как фононного, так и примесного рассеяния. Благодаря этому было показано экспериментально, что носители заряда в графене ведут себя как высоковязкая жидкость, имеющая вязкость практически в 100 раз выше, чем у меда [Science 351, 1055 (2016), Nature Phys 13, 1182–1185 (2017)]. Вязкий поток электронов может приводить к образованию токовых завихрений, подобных водоворотам в реках [Science 351, 1055 (2016)]. Более того, высокая вязкость может увеличить проводимость сужений графена за пределы их фундаментального (баллистического) предела, задаваемого формулами Шарвина и Ландауэра-Бюттикера [Nature Phys 13, 1182–1185 (2017)]. Последнее наблюдение особенно противоречит здравому смыслу, поскольку оно означает, что рассеяние электронов улучшает электропроводность, в отличие от всех других известных эффектов беспорядка. Это исследование привлекло значительное внимание и помогло улучшить понимание основ электронных свойств материалов.

Топологические токи. В каждом учебнике по физике конденсированного состояния говорится, что носители заряда должны двигаться в направлении приложенного электрического поля, если не применяется еще и магнитное поле. Это многовековое представление оказалось неверным для кристаллов с определенной нарушенной симметрией. Аномалия основ электронного транспорта была впервые обнаружена теоретически десять лет назад с использованием в качестве модели графена со щелью [Phys. Rev. Lett. 99, 236809 (2007)]. Экспериментально это было показано в работе [Science 346, 448 (2014)]. В этой работе графен поместили поверх гексагонального нитрида бора, что повысило симметрию между двумя подрешетками графена. Это открыло небольшую щель в спектре Дирака, но, что более важно, спектр приобрел так называемую кривизну Берри. Кривизна действует на электроны как эффективное магнитное поле, заставляя электроны из разных долин течь в противоположных направлениях. Возникающие в результате электрические токи называют топологическими или долинными, тогда как это явление часто называют долинным эффектом Холла [Science 346, 448 (2014)]. С помощью нелокальных измерений было обнаружено, что токи, протекающие в разных долинах, складываются, а не компенсируют друг друга. Долинный эффект Холла также наблюдался другими группами с использованием различных 2D-материалов и оптических измерений (например, [Science 344, 1489 (2014)]). Это новое явление, связанное с топологией, дополняет еще один новый эффект Холла, который наблюдался группой Андрея Гейма несколькими годами ранее. Эффект заключался в том, что магнитное поле (0.1Т) позволяло снимать вырождение спин/долина, которое заставляло электроны с противоположными спинами течь в противоположных направлениях [Science 332, 328 (2011)]. Эта работа способствовала лучшему пониманию систем с нарушенной симметрией.

Сверхрешетки графена. Создание искусственных сверхрешеток было одной из причин исследований двумерных электронных систем. Периодический поверхностный потенциал может изменять исходный спектр, создавая энергетические минищели, что, в свою очередь, может привести к множеству новых эффектов. Один из них - так называемые бабочки Хофштадтера. Эффект связан с квантованием энергетических спектров в сильных магнитных полях. Он является фрактальным по своей природе из-за тонкого взаимодействия между периодичностью решетки и магнитной длиной. Несмотря на многие десятилетия интенсивных усилий, удалось увидеть лишь несколько признаков бабочки (например, [Phys. Rev. Lett. 62, 1173 (1989), 86, 147 (2001), 92, 036802 (2004)]). Эта область исследований получила новый и неожиданный импульс, когда вышли работы [Nature 497, 594 (2013), Nature 497, 598 (2013), Science 340, 1427 (2013)], которые показали, что сверхрешетки графена обеспечивают эффект бабочки Хофштадтера. Все группы сообщили о сильной реконструкции исходного спектра Дирака (рис.1, в центре) и дополнительной периодичности проводимости в магнитном поле, которая соответствует долям кванта магнитного потока Φ0 на элементарную ячейку сверхрешетки, что является четким доказательством спектра Хофштадтера. С тех пор на эту тему были опубликованы сотни статей, в которых подробно излагаются наблюдения и раскрывается связанное с ними поведение.

Самым последним прорывом в этой области стало наблюдение принципиально нового типа квантовых осцилляций, которые могут сохраняться до 1000 К в умеренных магнитных полях ниже 10 Тл [Science 340, 1427 (2013)]. Прошло более 30 лет с момента их открытия (осцилляции Ааронова-Бома в мезоскопических кольцах). Новые осцилляции Брауна-Зака были связаны набором различных металлических состояний, которые проявляются каждый раз, когда магнитный поток Φ0 проникает через элементарную ячейку сверхрешетки (рис. 1, справа). Их периодичность, впервые раскрывает фрактальную природу бабочек Хофштадтера. Возможно, что более важно, работа проясняет плохо изученное происхождение спектра Хофштадтера, описывая его как квантование Ландау металлических (Браун-Заковских) состояний. Ожидается, что для развития данных исследований будет проведена дополнительная работа.

Явления взаимодействия в графене. В дополнение к вышеупомянутым темам, за последние несколько лет сообщалось о многих интересных результатах благодаря вариабельности электронного качества графеновых устройств. Одна из новых тем, которая приобретает особенно сильную популярность, - это явления взаимодействия. Например, было обнаружено, что графеновые конусы Дирака заметно видоизменяются в результате взаимодействий [Nature Phys 7, 701 (2011)]. Кроме того, оказалось, что графен, помещенный рядом с другим листом графена, демонстрирует сильное межслоевое взаимодействие, которое приводит к переходу металл-изолятор [Nature Phys 7, 958 (2011)] и кулоновскому сопротивлению [Nature Phys 8, 896 (2012)]. Кроме того, графеновые сверхрешетки демонстрируют свой собственный набор явлений многих тел и, например, демонстрируют квантовый холловский ферромагнетизм в мини-зонах Хофштадтера [Nature Phys 10, 525 (2014)].

Приведенные выше примеры ясно показывают, что, несмотря на свой «зрелый возраст», графен продолжает давать интересные и важные результаты. Конечно, скорость развития в этом направлении со временем замедляется, поэтому исследования Центра будут направлены на более сложные системы и новые локальные методы. Научная программа Центра не подразумевает прямое изучение графена. Вместо этого графен будет использоваться, как часть набора инструментов и фундаментальных знаний для решения других научных проблем и поиска новых направлений исследований.

После появления графена было показано, что многие другие двумерные кристаллы могут быть получены и исследованы аналогичным образом, с использованием эксфолиации. Еще в 2005 году группа Андрея Гейма эксфолиировала несколько двумерных кристаллов, включая монослои дихалькогенидов, гексагонального нитрида бора (hBN), слоистый оксидный сверхпроводник и слюду. В некоторых из них были продемонстрированы электростатические эффекты [PNAS 102, 10451 (2005)]. Однако примерно до 2010 года графен привлекал к себе почти все внимание. По мере того, как его свойства становились все более понятными, исследователи во всем мире постепенно начали использовать другие 2D-материалы. К настоящему времени было сообщено как минимум о сотне различных 2D кристаллов (рис. 2), сейчас новый 2D-материал появляется практически каждую неделю.

Хотя ни один другой 2D-материал до сих пор не продемонстрировал такого богатства интересных свойств и явлений, как графен, они хорошо дополняют его. Более того, многие 2D-кристаллы до сих пор недооценены. Исследования 2D-материалов ведутся интенсивно, и количество ежегодных публикаций уже приблизилось к количеству публикаций по графену. В настоящее время наиболее популярными 2D-кристаллами являются hBN, дихалькогениды переходных металлов (например, MoS2, WSe2) и черный фосфор. Например, hBN демонстрирует отличные туннельные характеристики [Science 335, 947 (2012)]. С другой стороны, 2D-дихалькогениды и черный фосфор демонстрируют быстрые изменения в своей зонной структуре с уменьшением количества слоев [Phys. Rev. Lett. 105, 136805 (2010)]. У них также есть относительно большие энергетические щели (в отличие от графена), что дает возможность использовать их в качестве основного материала для будущей наноэлектроники. Несмотря на популярность Si, такая возможность вполне реальна, в основном благодаря ультра малых толщин 2D кристаллов в сочетании с приличной подвижностью носителей (∼100 см2В-1с-1) при комнатной температуре [Nature Nano 6, 147 (2011), 9, 372 (2014)].

В рамках исследований Центра будет проводиться поиск перспективных материалов, электронные свойства которых планируются к исследованию с точки зрения мезоскопических явлений, локальными способами с использованием сканирующей зондовой микроскопии и спектроскопии. Как следствие, обнаруженные мезоскопические эффекты бу дут предложены для практического использования.

Поиск новых слоистых материалов. Из-за своей толщины большинство 2D-материалов нестабильны или плохо устойчивы на воздухе. Они либо быстро окисляются, либо вступают в реакцию с влагой. Чтобы решить эту проблему, препятствующую развитию новых ультратонких материалов, разрабатываются новые технологии расслоения и инкапсуляции 2D-кристаллов в атмосфере инертного газа [Nano Lett. 15, 4914 (2015)]. Технически, это нетривиальный процесс, который требует роботизированного управления процедурами переноса под оптическим микроскопом в ограниченном пространстве перчаточного бокса. Использование такой технологии позволило изготавливать электронные устройства из нестабильных на воздухе монослоев, в том числе монослоев черного фосфора и FeSe. Сейчас этот подход используется многими группами по всему миру. Приложив значительные усилия в попытке улучшить электронное качество известных двумерных дихалькогенидов, черного фосфора [Nano Lett. 15, 6991 (2015)] и некоторых других моно- и многослойных кристаллов, были найдены и другие интересные материалы. Например, 2D-InSe, материал, который демонстрирует более высокую устойчивость к окружающей среде, чем черный фосфор, и в то же время более высокую подвижность при комнатной температуре и меньшую массу электронов, чем 2D-дихалькогениды [Nature Nano 12, 223 (2017)]. Это сделало 2D-InSe новым фаворитом для упомянутой сверхтонкой электроники, а также доказывает, что есть еще много других 2D-материалов, которые стоит искать.

Однослойные сверхпроводники. Все металлы в их однослойной форме кажутся нестабильными в условиях окружающей среды, предположительно потому, что их металличность каталитически усиливает окисление на воздухе. Это сделало трудным, если не невозможным, изучение 2D-сверхпроводников до тех пор, пока не были разработаны перчаточные боксы. Было показано, что можно получить NbSe2 вплоть до одного слоя, и он остаётся сверхпроводящим, хотя и с более низкой критической температурой, которую можно регулировать с помощью электрического поля затвором [Nano Lett. 15, 4914 (2015)]. Двумерная сверхпроводимость привлекает все большее внимание исследователей по всему миру (например, [Nature 529, 185 (2016)]), а развитая инкапсуляция в перчаточных боксах делает все больше двумерных материалов и явлений доступными для экспериментов. В настоящее время многие группы ведут исследования над двумерными сверхпроводниками, включая сильно легированные топологические изоляторы (Bi2Se3), которые обладают свойствами, соответствующими топологической сверхпроводимости. Эти материалы получают путем интеркаляции щелочи в перчаточном боксе - еще одной недавно разработанной технологии [Nature Commun. 8, 15036 (2017)].

Мембраны из оксида графена. Оксид графена (GO) является производным графена. Интересным оказался его монослой, функционализированный эпоксидными и карбоксильными группами, что делает 2D-материал гидрофильным и диспергируемым в воде. Самая замечательная особенность GO - это, пожалуй, его способность формировать качественное ламинирование. Пленки GO оказались на удивление механически прочными из-за структуры, напоминающей перламутр [Nature 442, 282 (2006)]. Толщина таких слоев может достигать 100 нм, и быть полностью непроницаемой для газов и жидкостей [Science 335, 442 (2012)]. Сюда входит гелий, хорошо известный своей способностью диффундировать через мельчайшие микроскопические поры, границы зерен и даже через объемные материалы (например, стекло). За исключением воды: ее пар без каких-либо препятствий проникал через пленки GO толщиной в единицы микрометров, несмотря на то, что они оставались непроницаемыми для He. Это в высшей степени противоречащее интуиции наблюдение было воспроизведено многими исследователями. Эффект еще не полностью изучен, но единодушно объясняется наличием межслоевых капилляров. Они закрываются при низкой влажности и появляются при высокой влажности. Это позволяет получить почти непрерывную пленку низкоразмерной воды, которая может течь с небольшим трением о графеновые стенки [Science 335, 442 (2012)].

Эти наблюдения стимулировали исследования по использованию покрытий GO в качестве фильтров разделения газов, фильтрации воды и опреснения. В частности, было показано, что пленки GO можно использовать в качестве ионных мембран, демонстрирующих экспоненциальную отсечку при диаметрах гидратации более 9,0 Å, как показано на рис. 3. При этом можно уменьшить ячейки мембраны в область обычных солей с меньшими размерами ионов. Мембраны GO продемонстрировали 97% блокирование NaCl в сочетании с высокими потоками воды [Nature Nano 12, 546 (2017)]. Основываясь на этих выводах сейчас разрабатываются насосы для опреснения морской воды. Такой насос должен пропускать стакан питьевой воды из морской воды в течение нескольких минут. Фундаментальные знания о размерных эффектах воды важны с точки зрения медицины и биологии.

Транспорт протонов через hBN. Известно, что чистые 2D-монокристаллы непроницаемы для всех атомов и молекул при обычных условиях. Было показано, что однослойный и малослойный hBN обеспечивает высокую протонную проводимость, сравнимую с проводимостью лучших протонных мембран, таких как тонкие пленки Нафиона [Nature 516, 227 (2014)]. То же самое было доказано для однослойного графена, но последний показывает в 10 раз меньшую проводимость при комнатной температуре. Результат был настолько неожиданным, что первоначально исследователи предположили, что дефекты кристаллов ответственны за высокую протонную проводимость. В последствии оказалось, что это свойство идеальных 2D-кристаллов. Проникают ли ядра дейтерия через 2D-кристаллы так же легко, как протоны? Оказалось, что и монослой hBN, и графен позволяют эффективно отсеивать изотопы водорода [Science 351, 68 (2016)]. Был продемонстрирован электрохимический насос с эффективностью 100%, да так, что перемещение одного электрона по его электрической цепи приводило к тому, что один атом водорода проходил через двумерные кристаллы. Фактор разделения водорода и дейтерия оказался равным ∼10 при комнатной температуре, что является рекордным значением для разделения изотопов водорода. Для трития КПД еще выше. Более того, используя стандартный графен CVD и hBN, было доказано, что технология масштабируема для промышленных приложений, таких как для производства тяжелой воды и дезактивации трития [Nature Commun 8, 14552 (2017)]. Несколько начинающих компаний уже планируют использовать hBN и графеновые мембраны для повышения эффективности коммерческих топливных элементов.

Технология разделения изотопов уже лицензирована Манчестерским университетом и другими компаниями (одна из которых - Atkins Global). Два вышеупомянутых проекта (ламинаты GO и протонные мембраны) доказывают, что область 2D-материалов обещает не только новую физику, но некоторые из них могут быстро перейти непосредственно к промышленным приложениям. Очевидно, что ожидается еще много интересных явлений и приложений. Мы надеемся, что развитие центра позволит внести свой вклад в изучение фундаментальных свойств новых материалов с мезоскопическими свойствами.

Основная идея слоистых гетероструктур показана на рис. 4. Их создают путем сборки различных 2D кристаллов послойно друг на друга в выбранной последовательности для создания устройств и материалов с управляемыми свойствами [Nature 499, 419 (2013)]. Простейшие слоистые гетероструктуры содержат всего два-три 2D кристалла. Примерами являются инкапсулированный графен (графен, зажатый между двумя кристаллами hBN) и сверхрешетки графена, как обсуждалось в разделе выше. Другим примером простых гетероструктур являются два кристалла различных 2D-дихалькогенидов, помещенных друг на друга, в результате чего получается полупроводник с электронными свойствами, отличными от исходных кристаллов (см., например, [Nano Lett. 14, 5590 (2014)]). О самых первых vdW гетероструктурах было сообщено в 2010 году, и с тех пор наблюдается экспоненциальный рост исследований в этом направлении.

Существуют также более сложные vdW гетероструктуры, объединяющие иногда более десяти различных 2D-кристаллов (рис. 5). Изготовление многослойных гетероструктур на vdW материалах трудоемко, и в настоящее время, активно развивается.

Примерами реализованных устройств являются:

Туннельные полевые транзисторы. Использование монослоев графена, разделенных несколькими слоями hBN, позволило продемонстрировать вертикальный полевой транзистор [Science 335, 947 (2012)]. Новинка была не только одной из первых многослойных гетероструктур, но, что более важно, новым принципом работы полевых транзисторов. Эти устройства работают, сдвигая уровень Ферми в графене относительно туннельного барьера, в отличие от стандартных туннельных устройств, в которых электрическое поле изменяет форму барьера. Такая операция стала возможной из-за низкой плотности состояний в графене, которая позволяла сдвигать уровень Ферми на величину до ± 0,2 эВ. Позже использовались туннельные барьеры из WS2 вместо hBN. Это позволило обеспечить высокие соотношения туннельного тока включения/выключения, которое требуются для реальных приложений [Nature Nano 8, 100 (2013)]. Сейчас это направление развивается и требует все более глубокого понимания микроскопических процессов [Nature Phys 11, 1057 (2015), Nano Lett. 15, 8223 (2015)].

Светоизлучающие устройства. Следуя идеям, разработанным для полупроводниковых гетероструктур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии и другими методами, были собраны и 2D-кристаллы для создания квантовых ям для получения светового излучения. Простейшие светодиоды представляли собой vdW гетероструктуры, состоящие из монослоя MoS2 (квантовая яма), заключенного между несколькими слоями hBN (туннельные барьеры). Графен с каждой стороны играл роль инжекторов для электронов и дырок, которые туннелировали через hBN в квантовую яму, где они рекомбинировали излучающий свет [Nature Mater 14, 301 (2015)]. Для достижения более высокой эффективности преобразования электрического тока в свет (в настоящее время ∼10% при комнатной температуре) изготавливались еще более сложные гетероструктуры, состоящие из четырех последовательно соединенных квантовых ям MoS2 (рис. 5). Для этого требовалось собрать до 12 различных 2D-кристаллов в выбранной последовательности. Это устройство представляет собой самую сложную vdW гетероструктуру, созданную до сих пор. Эффективность излучения таких светодиодов в настоящее время ограничена электронным качеством используемых 2D-полупроводников и может быть значительно улучшена [Nano Lett. 15, 8223 (2015)].

Наноразмерные капилляры. Важно улучшить наши знания о молекулярном переносе в наномасштабе, поскольку он играет решающую роль во многих природных явлениях и современных технологиях. Например, исследования переноса воды, газа и ионов через углеродные нанотрубки вызвали огромный интерес за последние два десятилетия. Совсем недавно поры нанометрового размера в 2D-кристаллах исследовали экспериментально, и изучение молекулярной проницаемости через них вызывает большой интерес. Так, с использованием послойной сборки были изготовлены максимально узкие капилляры [Nano Lett. 15, 8223 (2015)]. Их можно рассматривать, как если бы одна атомная плоскость была выдернута из объемного кристалла, оставив двумерную пустоту. Такие капилляры были приготовлены путем размещения атомно-плоских кристаллов, таких как графит, hBN или MoS2, друг на друга и использования прокладок из 2D-кристаллов между ними. Прокладки позволили контролировать зазор между двумя кристаллами от ∼3,3 Å (эффективная толщина однослойного графена) до многих нанометров. В работе [Nano Lett. 15, 8223 (2015)] речь шла о проникновении чистой воды через такие капилляры. Наблюдался аномально быстрый перенос, который объяснялся атомарно плоскими стенками капилляров. Кроме того, считается, что вода становится сильно структурированной, больше напоминающей лед, чем обычную воду.

Таким образом, в рамках работы центра будут использоваться локальные (на атомном масштабе) методы исследования многослойных устройств и их интерфейсов.

В последнее время в поисках новых квантовых состояний и функциональных возможностей быстро растет число исследований сверхпроводящих гибридных структур с использованием топологических изоляторов (TИ). В основном, цель таких работ состоит в индуцировании сверхпроводящих корреляций из сверхпроводника (С) в TИ, при сохранении уникальных особенностей электронных свойств материала. Интерес к указанным системам возник в значительной степени из-за возможности комбинации электрон-дырочной симметрии квазичастиц, присущей сверхпроводникам, с геликоидальной природой электронных состояний в топологических материалах, что открывает перспективы реализации предсказанных майорановских состояний с нулевой энергией. На данный момент в ряде теоретических работ предложены структуры на основе С/TИ гибридов, где возможна реализация топологической сверхпроводимости (см., например, [Nature Comm. 8 2040 (2017), Rep. Prog. Phys. 81 116501 (2018), Rep. Prog. Phys. 80, 056701 (2017)). Когерентное манипулирование и запутанность таких состояний представляет огромный интерес для квантовых вычислений вследствии их неабелевой статистики, которая может привести к их качественному скачку из-за устойчивости к шумам. В то же время, контролируемая реализация топологически защищенной сверхпроводимости в ТИ остается сложной нерешенной задачей, требующей преодоления двух существенных проблем: (i) прецизионный контроль свойств интерфейсов С/TИ и (ii) реализация баллистического режима в гибридных устройствах С/TИ. Для решения этих задач, ставится целью реализация и изучение баллистических структур С/TИ, сочетающих сверхпроводящие и топологические свойства, с акцентом на нелокальные эффекты в таких системах.

В центре планируется использование новых оригинальных методов и подходов в рамках следующих направлений. (i) Реализация С/ТИ устройств на основе синтезированных PVD методом высококачественных нанокристаллов 3D топологических изоляторов с хорошо контролируемыми размерами, чистотой и геометрией, обеспечивающими достижение баллистического режима, который усиливает вклад топологических каналов в общую электрическую проводимость. (ii) Исследование полученных С/ТИ структур с помощью DC и RF методик в диапазоне температур 20mK - 4К, а также с использованием UHV низкотемпературной AFM/STM/STS микроскопии. Такие комплексные исследования позволят изучить следующие явления: андреевские топологические состояния, критическую плотность сверхпроводящих токов, ток-фазовые соотношения в гибридных джозефсоновских структурах на основе С/ТИ, спектры элементарных возбуждений в зависимости от зонной структуры ТИ. (iii) Построение теоретических моделей, описывающих свойства экспериментально изучаемых С/ТИ структур.

Синтез нанокристаллов. Рост монокристаллов ТИ будет реализован на устройстве, разработанном сотрудниками ЦМН (Рис.6). Схема такого роста аналогична описанной в (Commun Mater 1, 38 (2020)). В течении исследований будет разработана UHV-совместимая версия этого устройства, которая будет установлена на зондовый STM микроскоп. Сами образцы будут как исследованы локальными методами, так и использованы для изготовления мезоскопических устройств.

Андреевский бильярд. Измерение DC-транспорта наноструктур на основе C/ТИ является первой задачей для понимания фундаментальных свойств, не говоря уже о приложениях для квантовых вычислений. Например, разность фаз между двумя сверхпроводниками может регулироваться с помощью внешнего слабого магнитного поля. Ожидается, что аномальная форма зависимости критического тока от приложенного внешнего магнитного поля будет подтверждением присутствия топологических состояний [Phys. Rev. B 89, 134512 (2014), Nature Comm. 8 , 1–8 (2017), Science 336, 1003–1007 (2012), Nat. Commun. 7, 10303 (2016)] что ранее подтверждалось и экспериментально [Nature Mat. 11, 417 (2012)]. Режим длинного и короткого джозефсоновского контакта (JJ) может быть выявлен с помощью измерений критического тока [Phys. Rev. Lett. 122, 047003 (2019), Phys. Rev. B 92, 045408 (2015)]. Планируется измерять зависимость сопротивления от температуры для структур типа С/ТИ/С, вольт-амперные характеристики, эволюции критического тока с температурой и/или с приложенным магнитным полем. Исследования будут проводиться в рефрижераторах растворения, специально оборудованных для изучения JJ. Также будет исследована различная геометрия СКВИДов. Измерение критического тока как функции магнитного потока в них, позволяет определить соотношение тока и фазы (CFR), которое определяется носителями сверхтока. Специфическая спиновая текстура в топологическом состоянии вызывает аномальный CFR, который можно обнаружить и сравнить с теорией [Phys. Rev. B 86, 214515 (2012)]. Эксперименты на сквидах изготовленных на основе топологических изоляторов, главным образом, описывали систему в диффузионном режиме [Nat. Commun. 6., 7130 (2014)]. Ожидается, что реализация сквидов на основе баллистических контактов значительно повысит их чувствительность.

Важной задачей является создание многотерминальных устройств, в которых часть топологического изолятора контактирует в разных местах со сверхпроводящими электродами [Nat. Com. 7, 11167 (2015), Phys. Rev. B 97, 035443 (2018)]. В этой геометрии андреевские квазичастицы испытывают зеркальное рассеяние на краях ТИ и андреевское рассеяние на контактных площадках. Можно можно реализовать «Андреевский бильярд» [Rev. Mod. Phys. 87, 1037 (2015)], где нормальный металл (в данном случае ТИ) в форме «воздушного шара» соединен с основным С/ТИ/С JJ (Рис.2a). Такие структуры являются интересными платформами для исследования топологической сверхпроводимости, где могут иметь место нелокальные эффекты. Возможность реализации баллистического режима является преимуществом в этом случае.

Другой способ исследовать топологические свойства JJs состоит в измерении их высокочастотных свойств. Помимо того, что этот способ предоставляет информацию о топологии андреевских уровней, он также может преодолеть проблемы, связанные с ограниченным временем жизни уровней. Проведение зондовых экспериментов на высокой частоте может выявить эффекты, которые не проявляются при DC-измерениях. Так, ступени Шапиро на кривых ВАХ JJ обусловлены резонансом между входящей ВЧ-волной и внутренним переменным током, генерируемым во время эволюции сверхпроводящей фазы в напряжение JJ. В то время как обычные JJ демонстрируют ступени Шапиро при напряжениях V=NΦ0f (f - частота RF и Φ0 - кванты потока) для всех целых чисел N, ожидается, что топологический JJ будет показывать 2N ступеней, из-за 4pi периодичности Андреевских состояний, связанной с топологической фазой [Phys. Usp. 44, 131 (2001)]. О таком поведении сообщалось в работах [Nature Mat. 11, 417 (2012), Nat. Phys. 8, 795 (2012), Nat. Mat. 17, 875 (2018)], но ведутся дебаты о возможном влиянии квазичастиц на андреевские состояния, и вопрос остается открытым. Планируется проводить радиочастотные эксперименты при рабочих температурах криостата растворения до 10мК, чтобы детально изучить эти вопросы в баллистическом С/ТИ/С JJ. Используя продольное магнитное поле, возможно контролировать ток-фазовое соотношение (CFR) [Nature Commun. 10 126 (2019)] или, в особых геометриях, усиление критического тока JJ [Nat. Commun. 8, 14984 (2017)]. Мы будем прикладывать продольное магнитное поле в приведенной выше геометрии, как инструмент для манипулирования топологическими состояниями.

Локальная спектроскопия направлена на изучение локальных структурных и электронных свойств новых материалов и мезоскопических устройств на их основе. Будут исследоваться эффекты на интерфейсе между сверхпроводниками и нанокристаллами ТИ на атомном уровне с помощью STM/STS при 1K в сверхвысоком вакууме. Предлагается два взаимодополняющих технологических маршрута: (i) - Исследования подготовленных ex-situ систем, изготовление которых будет проводиться выше озвученными способами. Нанокристаллы ТИ будут выращиваться на кристаллических (A2O3) или неупорядоченных (SiO2/Si) подложках и оснащаться сверхпроводящими электродами (Nb). (ii) - Подготовка in-situ интерфейса сверхчистого сверхпроводника/ТИ во избежание любого возможного загрязнения из-за воздействия воздуха. Для ex-situ полученных образцов ожидается, что сверхпроводящий материал будет окислен вследствие воздействия воздуха, и поэтому будет покрыт тонкой изолирующей пленкой [Appl. Surf. Sci. 257, 222 (2010)], в то время как нанокристалл ТИ должен быть менее подвержен влиянию [J. Appl. Phys. 112, 113702 (2012)]. Образцы будут введены в сверхвысоковакуумную (UHV) камеру и приближены к кантилеверу микроскопа в режиме AFM (режим STM избегается, чтобы исключить разрушения кантилевера). Топографические изображения AFM позволят идентифицировать элементы устройств. Затем зонд будет введен в туннельный контакт с образцом для проведения экспериментов STS. Этот подход уже успешно используется другими исследовательскими группами [Phys. Rev. Lett. 100, 197002 (2008)]. Для варианта (ii) нанокристаллы ТИ будут выращиваться ex-situ и вводиться в существующую сверхвысоковакуумную камеру роста, связанную с STM/STS. Здесь при низкой температуре на образец будут нанесены несколько атомных слоев сверхпроводящего свинца (потребуется криогенный манипулятор; он будет приобретен в рамках дооснащения). Использование низкотемпературного осаждения (<50 K) снижает диффузию атомов Pb на поверхности и обеспечивает однородное покрытие, образуя перколяционную сверхпроводящую пленку поверх системы [Nano Lett. 16, 4454 (2016), Phys. Rev. B 50, 10834 (1994), Phys. Rev. B 61, R10602(R) (2000)]. При последующем отжиге движение атомов Pb сначала будет термически активировано на нанокристалле ТИ, где подвижность выше, чем у Pb на полупроводниковых и изолирующих поверхностях. По статистике, атомы Pb освобождают поверхность ТИ и накапливаются в области, окружающей ТИ-нанокристаллы. Полученная система будет состоять из нанокристаллов ТИ, окруженных непрерывной двумерной сверхпроводящей тонкой пленкой. И ТИ, и поверхность тонкой пленки образуют сверхрешетки С/ТИ, доступные для зондовых исследований (STM).

Таким образом, цель исследований заключается в реализации и изучении баллистических структур на основе переходов С/TИ, объединяющие все необходимые технологические ноу-хау. Планируется разработка UHV-совместимых средств для роста ТИ, что является важным технологическим шагом для создания чистых интерфейсов С/TИ. В рамках работы UHV-совместимая система синтеза будет создана впервые в мире. Взаимодополняемость методик и подходов (изготовление, характеризация, теоретическое моделирование, STM/STS спектроскопия, DC/RF транспорт) обеспечит получение фундаментальных результатов высокого уровня. Результаты работ будут опубликованы в лидирующих изданиях мира и заложат основы новых технологий изготовления перспективных топологически защищенных устройств для квантовой электроники.

Довольно необычная электронная структура, магнитные взаимодействия и свойства интерметаллических материалов на основе редкоземельных элементов (РЗЭ) привлекают большое внимание из-за их богатства довольно экзотическими явлениями, охватывающими магнитное упорядочение, сверхпроводимость, тяжелые фермионы, смешанную валентность и поведение Кондо. Ключевую роль в этих явлениях играет частично заполненная 4f-оболочка, которая находится глубоко внутри ионного остова и поэтому определяет локальные атомные свойства, в частности, магнитный момент атома. Пространственное перекрытие между соседними 4f-состояниями незначительно, и поэтому они не вносят прямого вклада в химические связи и проводимость, а магнитный порядок может быть установлен только посредством косвенного обменного взаимодействия через спиновую поляризацию электронов проводимости (RKKY-взаимодействие). Раскрытие деталей довольно тонкого f-d-взаимодействия, выявление тонкой электронной структуры таких материалов вблизи уровня Ферми и объяснение экзотических магнитных свойств систем на основе РЗЭ является фундаментальной проблемой. Более того, неотъемлемой частью является правильное различение явлений, связанных с объемом и поверхностью, где последние имеют важное значение для современного применения функциональных квантовых материалов. Предлагаемые направления исследований предоставят фундаментальные знания и информацию, очень важную для разработки новых устройств в будущей спиновой электронике, и, в частности, о материалах на основе РЗЭ, которые демонстрируют как магнетизм и сверхпроводимость (магнитные сверхпроводники (Science Adv. aat1061 (2018), Phys. Rev. B 103, 174517 (2021)), так и сильные электронные корреляции на поверхности и в объеме.

Планируемые комплексные эксперименты по электронной спектроскопии и сканирующей зондовой микроскопии предоставят информацию о том, как управлять свойствами двумерных электронных состояний с помощью спин-орбитального (SOI) и обменно-магнитного (EMI) взаимодействий; как индуцировать магнетизм с 4f-уровней, от объема на поверхности, и какие электронные и магнитные свойства могут быть получены. Активное взаимодействие с международными научными центрами принесет большую пользу научному и промышленному сообществу.

В рамках центра планируется развитие и активное применение методов магнитной резонансной спектроскопии для исследования и характеризации свойств низкоразмерных магнитных систем. Основой ряда методов является фундаментальное квантово-механическое свойство магнитных материалов – расщепление энергетических уровней спиновых систем вследствие эффекта Зеемана, а также влияние на это расщепление таких свойств магнитных материалов как намагниченность насыщения, магнитокристаллическая анизотропия, а также обменное взаимодействие и гиромагнитное соотношение. Современные примеры применения метода для исследования свойств тонкопленочных гибридных микроструктур можно найти в работах [J. Appl. Phys. 120, 163902 (2016); Adv. Func. Mater. 28, 1802375 (2018)]. Основным ограничением резонансных методов является слабое фотон-магнонное взаимодействие, характеризующееся силой односпиновой связи. Применение сверхпроводящих резонаторов для исследования одиночных магнитных микро- и наноструктур, обусловлено сверхчувствительностью высокодобротных резонаторов к изменениям импеданса резонирующих магнитных микроструктур даже в условиях слабой односпиновой связи [Phys. Rev. Lett. 123, 107702 (2019); J. Appl. Phys. 123, 173904 (2018); Phys. Rev. Lett. 111, 127003 (2013)].

Другим направлением, сформированным участниками центра в этом году [Science Adv. 7, eabe8638 (2021); Phys. Rev. Appl. 16, 034029 (2021)], является гибридизация магнитных систем со сверхпроводящими структурами с низкой фазовой скоростью, что позволяет повысить силу односпиновой связи на несколько порядков и, тем самым, получить измеряемое фотон-магнонное взаимодействие. В рамках работы центра будут проводиться работы по исследованию магнитных свойств новых материалов и структур с использованием современных методов спектроскопии на основе сверхпроводящих систем.

Мировая гонка по созданию первого универсального квантового компьютера спровоцировала новый виток развития как сверхпроводимости в целом, так и слаботочной ее части. Активно развивается сверхпроводниковая реализация квантового вычислительного ядра, параллельно с этим идет изучение возможного использования и цифровых низкодиссипативных логических устройств для управления таким ядром [M. Mohseni, патент  US 2020/0257644 A1б 2020; H. Neven, патент US Patent App. 16/863,623, 2020].   Одним из самых распространенных видов квантового устройства является потоковый кубит - перспективный элемент квантовой логики, который управляется с помощью локального магнитного поля (Quentin P. Herr, патент US 7.724.020 B2, 25.10.2010; Science 299, 1869-1871 (2003)). Простота управления им накладывает ограничения на масштабируемость таких устройств. Решением этой проблемы может быть включение в кубит джозефсоновского контакта с магнитным и туннельным слоем в качестве дополнительной слабой связи (Nat. Phys 6, 593-597 (2010); Appl. Phys. Lett. 100, 222601 (2012)). В этом случае переключение между состояниями кубита может происходить не за счет внешнего магнитного поля, а за счет управления спонтанными токами, уже текущими через этот переход. В случае инверсии наведенной в ферромагнетик фазы сверхпроводящей волновой функции  на pi, из-за взаимодействия с его обменным полем, такой джозефсоновский контакт может работать как фазовая батарея. Основная методика изготовления пи-переходов подразумевает послойное напыление структуры магнетронным или электронно-лучевым способом (Phys. Rev. Lett. 86, 2427-2430, 2001 и Supercond. Sci. Technol. 28,  025009  (2015)). Такая технология изготовления накладывает ограничения на  характеристики этих джозефсоновских контактов, но самое главное - на процесс масштабирования. В качестве альтернативного подхода к созданию таких устройств, было предложено в качестве слабой связи использовать сегментированные нанопровода (В.С. Столяров, патент RU 2 599 904 C1, 2016). Такие объекты можно изготовить с заранее заданными структурными свойствами, такими как монокристалличность и состав. Согласно патенту, чередование металлических слоев нормального металла N и ферромагнетика F в нанопроводе позволит изготовить планарный джозефсоновский пи-контакт с хорошими сверхпроводящими характеристиками. Действительно, первые эксперименты с джозефсоновскими переходами на основе медных нанопроводов в качестве слабой связи продемонстрировали довольно большие критические токи и характеристические напряжения (Appl. Phys. Lett. 110, 222605 (2017)), на порядок больше, нежели в классических планарных структурах (JETP Letters 96, 668-673 (2013)). Это служит доказательством того, что, действительно, N-прослойка нанопровода может эффективно служить посредником сверхпроводящих корреляций между сверхпроводящим S электродом и F-слоем. Кроме того, также было показано, что никелевые нанопровода обладают ферромагнитными свойствами и обнаруживают ряд интересных явлений, связанных с размерными эффектами (J. Appl. Phys. 125, 063902 (2019) и Sci. Rep. 9, 14470 (2019)). Создание сегментированных нанопроводов на текущий момент уже успешно опробовано на специально созданной роботизированной установке по осаждению полосатых многотерминальных нанопроводов (патент 2704363, 2019). Аналогия данной методики может быть найдена в послойной сборке из слоев vdW материалов, в результате чего получают новые виды транзисторов, диодов и других принципиально новых, в том числе и сверхпроводящих, устройств (Science 353, aac9439 (2016)).