В классической магнитной силовой микроскопии (МСМ) вихрь жестко «заморожен» на внутренних дефектах, и зонд лишь рисует его размытый магнитный портрет. Ключевое отличие сканирующей квантово-вихревой микроскопии (СКВМ), разработанной в Центре перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, — в поведении самого вихря, то есть тонкой нити квантованного магнитного потока, пронизывающей сверхпроводник. При нагреве пленки, близко к температуре сверхпроводящего перехода, удерживающие силы ослабевают, и магнитный зонд получает возможность буквально оторвать вихрь от дефекта и протащить его за собой по всей площади сканирования. Двигаясь, вихрь вынужден преодолевать ландшафт внутренних неоднородностей в материале. Как только его ядро — крошечный кусочек обычного металла, окруженный вихревыми сверхпроводящими токами, — цепляется за препятствие, а затем срывается с него, мгновенно меняются амплитуда и фаза колебаний высокочувствительного кантилевера (вибрирующей балки, на конце которой располагается зонд). Регистрируя эти изменения, ученые строят карту скрытой сети пиннинговых центров тех самых «якорей», которые удерживают вихри,— в проекции на плоскость сканирования. Чтобы доказать, что метод «видит» реальную, а не случайную картину, исследователи проверили ее стабильность, меняя направление сканирования и толщину пленок. Результаты исследований, проведенных при поддержке Российского научного фонда, опубликованы в журналеMesoscience & Nanotechnology.
В качестве объекта исследования ученые выбрали ниобиевые пленки толщиной от 50 до 240 нанометров, полученные методом RF-магнетронного распыления. При этом ниобиевую мишень бомбардируют ионами аргона в высокочастотном разряде при низком давлении (~10⁻³ мбар), выбивая ионы ниобия, которые осаждаются на подложку из кремния. На поверхности ионы сталкиваются с друг другом, формируя островки, которые, разрастаясь, сливаются в сплошную пленку. Из-за того что на местах контакта островков кристаллические решетки не совпадают идеально, там возникает переходная область с нарушенным порядком атомов. Когда вихрь последовательно обходит поверхность пленки, он чаще всего «цепляется» именно за границы бывших островков. В результате картина его динамического застревания и срывов повторяет их контуры, создавая характерный «чешуйчатый» узор. Этот узор оставался практически неизменным при смене направления движения зонда во время сканирования пленки. Незначительные расхождения, подобные гистерезису, лишь подтвердили, что это след динамического взаимодействия вихря с фиксированной сетью дефектов, а не шум прибора. Еще более убедительным стало сравнение пленок разной толщины — от 50 до 240 нанометров. Масштаб выявленной сети закономерно рос с толщиной, что идеально совпало с известными данными об увеличении размера зерен в более толстых слоях. Это прямое свидетельство, что метод детектирует именно границы кристаллических зерен — ключевые дефекты в поликристаллических пленках.
«Ключевой эффект — в сканирующей квантово‑вихревой микроскопии разрешение фактически ограничено размером ядра вихря и достигает порядка 30–40 нанометров, то есть примерно на порядок лучше, чем характерные ограничения классической магнитной силовой микроскопии, — рассказал директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, д. ф.-м. н. Василий Столяров. — Это позволяет уверенно различать тонкие элементы внутренней структуры, например межзеренные границы и связанные с ними дефекты, которые обычными поверхностными методами часто нельзя увидеть».
Не остался без ответа и главный вопрос: как именно вихрь взаимодействует с дефектами и почему его можно оторвать? Для этого была построена теоретическая модель, учитывающая конкуренцию двух сил: притяжения вихря к магнитному зонду и его пиннинга — удержания на линейном дефекте. Расчеты показали, что при низких температурах побеждает пиннинг, и вихрь остается на месте, как в классической МСМ. Но стоит нагреть образец ближе к критической температуре, как силы меняются местами: теперь зонд способен оторвать и повести за собой вихрь-щуп. Температурный порог этого перехода, предсказанный моделью, точно совпал с экспериментальными данными для пленок разной толщины. Такое совпадение теории и практики окончательно закрывает вопрос о физической природе наблюдаемого явления и подтверждает абсолютную работоспособность метода.
Таким образом, сканирующая квантово-вихревая микроскопия прошла все проверки на достоверность. Она не только показывает скрытую структуру с рекордным разрешением, но и делает это воспроизводимо и предсказуемо. Техника открывает путь к неразрушающему экспресс-анализу сверхпроводящих пленок и наноустройств, позволяя находить скрытые слабые места, невидимые для других методов диагностики. Это серьезный шаг к созданию более надежных кубитов, детекторов и элементов сверхпроводящей электроники.
Кроме ученых из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ в работе принимали участие их коллеги из Института физики микроструктур РАН, Университета Лобачевского (Нижний Новгород), Института физики твердого тела им. Ю. А. Осипьяна РАН (Черноголовка) и Высшей школы индустриальной физики и химии Парижа (ESPCI Paris Sorbonne University).