Российские ученые выяснили, что тонкий слой золота позволяет усовершенствовать сверхпроводящие характеристики свинцовых пленок на поверхности кремния. Физики не только повысили их устойчивость, но и увеличили температуру, при которой эти структуры переходят в состояние сверхпроводимости. Для двумерных систем достичь такого эффекта довольно сложно; в дальнейшем понимание его фундаментальных принципов позволит создавать новые устройства, использующие сверхпроводимость для получения сильных магнитных полей — в томографах и ускорителях частиц. Об исследовании рассказала пресс-служба Российского научного фонда.
Сверхпроводимость используется для создания сильных магнитных полей. Обычно для этого применяют электромагниты, которые при пропускании через них электрического тока генерируют магнитное поле. Если в конструкции электромагнита используются катушки из сверхпроводящих проводов, то такой электромагнит называют сверхпроводящим.
Сверхпроводящие магниты используются, например, при создании магнитной подушки для скоростных поездов или в ускорителях частиц. Но сверхпроводящие свойства — а значит, нулевое электрическое сопротивление и возможность проводить очень большие токи без потери энергии — возникают только при охлаждении системы до критических температур. Критическая температура для разных материалов будет неодинакова: так, для свинца она составляет – 7,2 К (– 265,95 °C), а для алюминия — 1,2 К (– 271,95 °C).
Соединение свинца и кремния служит примером системы, способной переходить в состояние сверхпроводимости, поэтому его можно использовать для создания сверхпроводящего магнита. Однако обычно такое состояние недостаточно стабильно. Исследователи ищут пути решения этой проблемы и стремятся усовершенствовать существующие системы, а также активно работают над созданием высокотемпературных сверхпроводников — таких, которые будут работать при относительно больших температурах.
Ученые из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) и Дальневосточного федерального университета (Владивосток) улучшили сверхпроводимость двумерных свинцовых пленок на поверхности кремния. Для этого авторы поместили слой золота толщиной всего в один атом между поверхностью кремния и свинцовой пленкой, а затем изучили процессы, которые происходили в такой системе. Исследователи использовали золото, так как их предыдущие опыты показали: атомы золота обычно сильнее связаны с подложкой (кремнием), чем с атомами других металлов (например свинца, таллия и индия). Это позволяет отделить атомный слой от подложки и сформировать буферный монослой золота между подложкой кремния и слоями свинца атомарной толщины.
Юрий Вековшинин (один из авторов работы) перемещает образец внутри сверхвысоковакуумной камеры, оборудованной сканирующей туннельной микроскопией. Фото: Владислав Колчинский
В ходе экспериментов физики выяснили, что критическая температура «золотой» системы увеличилась на 0,5–2 градуса Кельвина. Ученые подчеркивают: важен не столько количественный результат, сколько сам факт увеличения критической температуры, потому что добиться такого эффекта в двумерных системах довольно сложно. Более того, система, в которой в качестве буферного слоя используется золото, является стабильной, в ней не происходит деформации слоев при низких температурах. Значит, при помощи драгоценного металла можно не только увеличить критическую температуру, но и контролировать устойчивость системы.
«Сверхпроводимость в моноатомных слоях была открыта сравнительно недавно — в 2011 году, но всё еще остается слабо изученной. На этом фоне полученные результаты вносят существенный фундаментальный вклад в понимание самого явления двумерной сверхпроводимости», — рассказывает старший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН Леонид Бондаренко.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.