Ученые Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ с коллегами обнаружили, что в многообещающей для новой электроники системе на основе топологического изолятора, состоящего из висмута, сурьмы, теллура и селена, с ниобиевыми контактами возникает еще один сверхпроводящий участок со своим критическим током. Сделанное открытие, с одной стороны, накладывает ограничения, а с другой — проясняет структуру интерфейса в устройствах данного типа.
Результаты работы опубликованы в журнале Advanced Functional Materials. Одно из самых многообещающих направлений исследований сегодня — это поиск новой элементной базы для сверхпроводящей электроники. В Центре перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ занимаются изучением функциональных материалов как рабочих элементов подобных электронных устройств.
Рассказывает Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ: «При исследовании системы на основе топологического изолятора BiSbTe2Se и сверхпроводящего ниобия мы обнаружили интересный эффект, который ранее наблюдался в похожих системах, однако до нас его никто не мог объяснить».
«Мы исследовали электрические свойства нашего девайса и заметили особенность, — поясняет Андрей Кудряшов, аспирант и сотрудник центра, первый автор исследования. — Обычно в таких системах должен наблюдаться только один критический ток. Однако мы обнаружили, что вольт-амперная характеристика имеет две ступеньки, а не одну, как можно было бы ожидать. В ходе исследования была проанализирована зависимость этих критических токов от температуры и магнитного поля. Мы предположили наличие собственной сверхпроводимости на границе двух материалов и построили теоретическую модель на основе этого предположения, которая отлично объяснила наши данные».
При изготовлении исследуемого девайса кристалл BiSbTe2Se (состоящий из висмута, сурьмы, теллура и селена) сначала подвергают плазменной очистке, что является необходимым этапом, а затем напыляют сверхпроводящий ниобий. И, как выяснили ученые, травление поверхности кристалла плазмой приводит к появлению прослойки, в которой может образовываться собственная сверхпроводимость интерфейса, отвечающая за второй критический ток.
«Мы решили подтвердить нашу гипотезу и сделали просвечивающую электронную микроскопию интерфейса “сверхпроводник / топологический изолятор”, — добавляет Василий Столяров. — В результате мы исследовали, как выглядит контакт между материалами на атомном уровне, и обнаружили, что на линии соприкосновения образуется слой с отличной от изначального структурой. Оказалось, что такой слой является сверхпроводящим».
Проведенное исследование показывает, что интерфейс между топологическим изолятором и напыленным сверхпроводником имеет сложную структуру, что может сильно влиять на физику создаваемых девайсов. Полученный эффект необходимо учитывать при изготовлении и изучении данных структур. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и РНФ.