Физики из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ с коллегами обнаружили, что в месте соприкосновения топологического изолятора BiSbTe2Se с ниобиевыми контактами возникает еще один сверхпроводящий участок со своим критическим током. Сделанное открытие, с одной стороны, накладывает ограничения на такого рода девайсы, а с другой — проясняет структуру интерфейса «сверхпроводник / топологический изолятор». 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: «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».
Сотрудники Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ бакалавр Ян Бабич и аспирант Андрей Кудряшов, а также директор центра Василий Столяров в перерыве между экспериментами
«Мы исследовали электрические свойства джозефсоновского контакта 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 интерфейсе двух материалов и построили теоретическую модель на основе этого предположения, которая отлично объяснила наши данные».
(Сверху) Схематичное изображение исследуемого девайса. Желтые стрелки показывают интерфейс между ниобием (S) и кристаллом BiSbTe2Se (TI). (Снизу) Вольт-амперная характеристика исследуемого девайса. Красная кривая имеет две ступеньки, где вторая отвечает за собственную сверхпроводимость интерфейса. Источник: Advanced Functional Materials
При изготовлении системы, называемой джозефсоновским контактом, топологический изолятор сначала подвергают плазменной очистке, что является необходимым этапом в изготовлении девайса, а затем напыляют сверхпроводящий ниобий. И, как выяснили ученые, травление поверхности топологического изолятора плазмой приводит к появлению прослойки, в которой может образовываться собственная сверхпроводимость интерфейса, отвечающая за второй критический ток.
а) Сканирующая электронная микроскопия ниобиевых контактов на кристалле топизолятора; е) быстрое преобразование Фурье двух областей, оранжевый — топологический изолятор, желтый — сверхпроводящая прослойка. Источник: Advanced Functional Materials
«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».
d) Изображение интерфейса, полученное методом HAADF-STEM;
f) EDX-карта интерфейса; g) профиль распределения элементов в интерфейсе. Источник: Advanced Functional Materials
Проведенное исследование показывает, что интерфейс между топологическим изолятором и напыленным сверхпроводником имеет сложную структуру, что может сильно влиять на физику искусственно созданных топологических сверхпроводников, включая эффекты, связанные с майорановскими фермионами.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и РНФ.
