Ученые из МФТИ и их коллеги разработали новый метод сканирующей микроскопии, который позволяет с нанометровым разрешением визуализировать распределение пиннингового потенциала в сверхпроводящих пленках. Этот метод, названный Scanning Quantum Vortex Microscopy (SQVM), открывает новые возможности для изучения дефектов в сверхпроводниках и наноустройствах, что может привести к улучшению характеристик сверхпроводящих материалов и устройств.
Изображение пленки толщиной 100 нм, полученное атомным силовым микроскопом (рисунок a), магнитным силовым микроскопом (рисунок b) и с помощью метода сканирующей вихревой микроскопии (рисунок c). Черная шкала соответствует длине 1 мкм / © Communications Materials
Работа опубликована в Communications Materials. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда. История изучения сверхпроводимости началась в 1911 году, когда нидерландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что ртуть при температуре ниже 4,2 К теряет электрическое сопротивление. Это открытие положило начало новому направлению в физике. В последующие десятилетия ученые пытались объяснить природу сверхпроводимости. В 1950-х годах Лев Горьков и Алексей Абрикосов разработали теорию сверхпроводимости второго рода. Согласно их работам, в некоторых сверхпроводниках при определенных магнитных полях могут образовываться особые вихревые структуры — магнитные потоки, окруженные сверхпроводящей средой. Эти вихри получили название «вихри Абрикосова».
Абрикосов в 2003 году был удостоен Нобелевской премии за предсказание существования этих вихрей. Это выдающееся открытие советского ученого оказало огромное влияние на развитие физики твердого тела и позволило объяснить поведение сверхпроводников при высоких магнитных полях.
Для детального изучения вихревых структур требовались новые методы визуализации. В 1980–1990-х годах появились сканирующая туннельная микроскопия и магнитная силовая микроскопия, которые позволили наблюдать вихри в реальном времени.
Сканирующая вихревая микроскопия, разработанная в рамках недавнего исследования, представляет собой дальнейший шаг в этой области. Этот метод позволяет не только видеть вихри, но и манипулировать ими, исследуя локальные сверхпроводящие свойства с нанометровым разрешением.
Авторы исследования изучили пространственную и температурную эволюцию закрепления вихрей в ниобиевых пленках, осажденных методом магнетронного распыления с толщиной 50–240 нм. Эти пленки широко используются в сверхпроводниковой электронике и квантовых технологиях. Новый метод микроскопии использует магнитный кантилевер микроскопа для создания, притяжения и перемещения одиночного квантового вихря в сверхпроводящей пленке. Взаимодействие вихря с дефектами в образце позволяет визуализировать распределение пиннингового потенциала.
В эксперименте магнитный наконечник сканирующего микроскопа создает вихрь, который тут же притягивается к нему, словно миниатюрный магнит к железу. Затем этот вихрь начинает «прыгать» между областями, где он застревает, что фиксируется через изменение сил взаимодействия между вихрем и кантилевером микроскопа. В итоге ученые получили детализированные карты распределения вихрей — своего рода «рельефную карту» сверхпроводниковой пленки.
Метод позволяет достичь разрешения около 20 нм, что значительно превосходит ожидаемые ограничения, связанные с магнитным взаимодействием вихря с кантилевером. Исследователи изучили пленки ниобия толщиной от 50 до 240 нм, широко используемые в сверхпроводящей электронике. Было показано, что пиннинговый потенциал связан с гранулярной структурой пленок и границами зерен.
Пленки напылили на кремниевую подложку с помощью магнетронного распыления — метода, при котором атомы металла буквально выбиваются с поверхности мишени и оседают на подложке. В результате получилась пленка с зернистой структурой: вытянутые нанозерна размером 30–50 нанометров в длину и около пяти нанометров в ширину. Эти зерна группируются в более крупные кластеры, разделенные крошечными пустотами.
Чтобы создать квантовый нанозонд, образец охлаждали ниже критической температуры (~9 К), используя криогенный магнитный силовой микроскоп. Во время охлаждения его магнитный наконечник (из Co/Cr) висел на высоте ~2 мкм над пленкой. В результате в сверхпроводнике формировались одиночные квантовые вихри Абрикосова. При температуре 4,03 К вихрь оказывается зафиксированным вблизи левого края изображения. Он проявляется как темное пятно на карте магнитного силового микроскопа, потому что притягивается к кантилеверу. Но если немного поднять температуру (до 8,49 К), вихрь исчезает, а вместо него возникает загадочный узор в виде «рыбьей кожи» — сеть темных границ, где фиксируется сильное притягивающее взаимодействие. Это говорит о том, что вихрь больше не привязан к дефекту и может свободно двигаться по всему материалу образца.
Перемещая вихрь, исследователи построили детализированные фазовые карты, показывающие, где и насколько сильно вихри закрепляются в сверхпроводнике. Ученые разработали теоретическую модель, объясняющую наблюдаемые эффекты и связывающую разрешение метода с длиной когерентности сверхпроводника.
Температурный порог, при котором вихрь отрывается, зависит от толщины пленки — это подтвердили как эксперименты, так и компьютерное моделирование.
«Мы впервые смогли увидеть, как вихри взаимодействуют с дефектами в сверхпроводящих пленках на нанометровом уровне. Это открывает новые горизонты для разработки более эффективных сверхпроводящих материалов и устройств», — рассказал директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.
«Наш метод позволяет не только визуализировать дефекты, но и изучать их влияние на сверхпроводящие свойства. Это важно для создания новых квантовых устройств», — добавляет Дмитрий Родичев, профессор ESPCI Paris.
Сверхпроводящие материалы играют ключевую роль в современных технологиях, включая квантовые вычисления, магнитно-резонансную томографию и ускорители частиц. Однако их свойства сильно зависят от дефектов, которые могут как улучшать, так и ухудшать характеристики материала. Новый метод SQVM позволяет не только визуализировать эти дефекты, но и изучать их влияние на пиннинг вихрей, что открывает новые возможности для оптимизации сверхпроводящих устройств.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, МИСиС, Института физики твердого тела РАН, Института физики микроструктур РАН, Университета Лобачевского (Нижний Новгород), Всероссийского НИИ автоматики имени Н. Л. Духова, ESPCI Paris Sorbonne University.
