View message

Надпровідність – квантове явище, властиве багатьом матеріалам за низьких температур. Унікальні властивості надпровідників широко використовуються, наприклад, для побудови потужних магнітів – прискорювачів елементарних частинок і магнітів медичних систем магніторезонансної томографії. Прогрес у дослідженні надпровідних матеріалів дозволив створити надчутливі магнітометри й детектори електромагнітного випромінювання.

Характерною та головною ознакою надпровідних матеріалів є нульовий опір постійному електричному струму й ідеальний діамагнетизм: якщо надпровідник помістити у зовнішнє магнітне поле, то воно або повністю виштовхується з об’єму надпровідника або, як відкрив український фізик Лев Васильович  Шубников, проникає в переважну більшість надпровідників лише у певних локальних областях, утворюючи так звані «вихори» (вихори у надпровідниках отримали свою назву за те, що кільцеві струми подібні до вихорів, які утворюються у рідині або газі). Серцевина такого вихора перебуває в ненадпровідному стані, і магнітне поле може там існувати, а навколо цієї серцевини течуть кільцеві (вихрові) незагасаючі надпровідні струми. Величина магнітного поля у серцевині вихора є строго визначеною величиною, яка задає «квант» магнітного потоку.

Якщо надпровідник однорідний, то сукупність вихорів утворює регулярну нерухому структуру – «вихорову ґратку», де вихори розташовані періодично і рівномірно. Все змінюється, коли через такий надпровідник проходить електричний струм. При цьому система вихорів почне рухатись як єдине ціле, адже на кожен вихор, що «містить» магнітний потік, діє сила Лоренца. Рух ґратки надпровідних вихорів супроводжується осциляціями (тобто коливаннями) у просторі й часі надпровідних струмів і магнітної індукції у надпровіднику. Цікаво: теоретично передбачається, що коли вихор досягне межі надпровідника, виникне електромагнітне випромінювання, яке пошириться навкруги. Коли ж сукупність вихорів рухається як єдине ціле, то кожен із них, сягаючи межі надпровідника, теж випромінює, а вся система загалом стає випромінювачем електромагнітних хвиль. Оскільки вихори впорядковані та сягають межі надпровідника регулярно, то частота випромінювання залежатиме від відношення швидкості вихорів до відстані між ними у напрямку руху. Це явище передбачив український фізик Ігор Орестович Кулик у 1966 році.

На цій основі можна було би розробити надмініатюрні надпровідні випромінювачі когерентних електромагнітних хвиль із характеристиками, що регулюються у широкому спектрі. Такі пристрої вкрай затребувані, зокрема, і для спеціальних застосувань.

Однак досі спостерігати таке випромінювання «наживо» не вдавалося – це виявилося надскладною експериментальною проблемою. По-перше, необхідно забезпечити когерентний рух всієї вихорової ґратки крізь надпровідник. Лише тоді створюються умови для конструктивної інтерференції випромінювання від кожного вихору, коли випромінювання різних вихорів підсилюють, а не послаблюють одне одного. Проте будь-які дефекти й недосконалості структури надпровідного матеріалу стають перешкодою для руху вихорів, які «причіпляються» до дефектів, що порушує когерентність руху. По-друге, навіть при когерентному русі потужність цього випромінювання є доволі слабкою.

Міжнародний колектив учених, до якого ввійшли науковці Фізико-технічного інституту низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України, Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна, Інституту фізики Франкфуртського університету імені Йогана Фольфґанґа Ґьоте (ФРН) та Інституту фізики Рача Єврейського університету в Єрусалимі (Ізраїль), знайшов шлях подолання цих труднощів. Ідея полягала у тому, аби примусити вихори в процесі руху когерентно перетинати кількадесят меж розділу шарів майже ідеальної багатошарової надпровідникової структури. Дослідники реалізували просторову модуляцію властивостей надпровідника на наномасштабах, а для підсилення сигналу винайшли спосіб забезпечення умов когерентності випромінювання.

Проблему вдалося вирішити завдяки створенню багатошарової наноструктури, в якій надпровідні шари молібдену чергувалися із діелектричними шарами кремнію. Створений штучний багатошаровий надпровідниковий матеріал складається із 50 пар почергово осаджених на підкладку ультратонких шарів молібдену та кремнію завтовшки 2,2 і 2,8 нанометри відповідно. Ці шари такі тонкі, що товщина стосу з 20 тисяч пар таких шарів дорівнюватиме товщині аркуша офісного паперу (!). Важливо, що товщини цих шарів зіставні з розміром серцевини надпровідного вихора.

Під дією струму та прикладеного магнітного поля така надструктура випромінює електромагнітне поле. В експерименті науковців Академії та їхніх колег електромагнітне випромінювання мікрохвильового діапазону (5-50 GHz) зареєстровано при прикладенні паралельно до шарів надпровідника певних магнітних полів, що призводить до виникнення регулярної вихорової ґратки, період якої у напрямку, перпендикулярному до шарів наноструктури, є сумірним із сумарною товщиною шарів молібдену і кремнію (5 нанометрів).

Здійснене дослідження закладає основи для створення надмініатюрних і надзвичайно широкосмугових генераторів мікрохвильового випромінювання з керованою частотою, яка може змінюватися під дією транспортного струму та прикладеного магнітного поля. Випромінювання таких систем на основі надґраток «надпровідник/ізолятор» може перекривати частотний діапазон від звичайних радіочастотних осциляторів до терагерцових генераторів на ефекті Джозефсона. Мініатюрність і планарна геометрія таких генераторів сприяє їхній on-chip-інтеграції («інтеграції на чипі» або ж «інтеграції на кристалі») з іншими пристроями надпровідникової електроніки та надпровідниковими флаксонними (призначеними для керування квантами магнітного потоку) приладами, а саме: НВЧ-фільтрами, діодами і транзисторами, що працюють із одиничними вихорами, а також квантовими пристроями, що використовують ефект Джозефсона в елементах квантових комп’ютерів.

Докладніше про результати досліджень – у статті:

За інформацією Фізико-технічного інституту низьких температур імені Б.І. Вєркіна НАН України