Ученые Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ обнаружили ошибку в одном из методов измерения ток-фазового соотношения джозефсоновских контактов (аналога вольт-амперной характеристики для сверхпроводников), объяснили ее и предложили правильный алгоритм измерения. Эта методологическая работа, опубликованная в Nano Letters, поможет правильно интерпретировать экспериментальные результаты, подбирать оптимальные материалы и параметры для точного измерения.
В работе изучался асимметричный СКВИД — сверхпроводящее кольцо с джозефсоновскими контактами, аналогами нелинейных элементов электрической цепи, имеющими большую асимметрию критических токов. Джозефсоновский контакт представляет собой узкую прослойку некоторого материала (слабую связь) между двумя сверхпроводящими контактами.
При приложенном магнитном поле и постоянном токе через СКВИД куперовские пары (носители заряда в сверхпроводниках) приобретают разную фазу волновой функции в каждом из контактов и интерферируют между собой, что отражается на критическом токе всей системы.
СКВИД может работать в разных режимах, например асимметричном — когда один из джозефсоновских переходов имеет высокое известное значение критического тока, а второй — во много раз меньше. Джозефсоновский контакт с большим критическим током называется референсным. Фаза на этом контакте почти не меняется от поля, из-за чего работа всего девайса определяется вторым изучаемым контактом. Однако в ряде исследований полученная зависимость критического тока от магнитного поля отличалась от теоретически предсказанной для второго контакта. Ученые списывали несоответствие на шум в измерительной системе, но физики из МФТИ более детально изучили проблему.
Фото трех соавторов: Ян Бабич, Андрей Кудряшов и Василий Столяров. ©Пресс-служба МФТИ
Первый автор статьи, студент Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий Ян Бабич прокомментировал: «Мы нашли несоответствие представленных результатов с нашим пониманием систем. Пришлось разработать новую теоретическую модель, чтобы локализовать и объяснить проблему. Далее стояла задача экспериментально доказать наши предположения».
Для этого ученые из центра создали СКВИД на основе сверхпроводящего металла ниобия. Один из джозефсоновских контактов представлял ниобиевый наномостик с высоким критическим током, второй — прослойку из висмута-теллура-селена (Bi2Te2Se) между сверхпроводящими контактами. Проведя серию измерений, исследователи обнаружили, что зависимость критического тока от внешнего магнитного поля дает неправильное ток-фазовое соотношение изучаемого контакта, если использовать общепринятую интерпретацию данных. Ученые исправили ошибку в применяемом методе и экспериментально и теоретически обосновали новый способ измерения ток-фазового соотношения.
Критический ток части СКВИДА с изолирующий прослойкой был в несколько десятков раз меньше, чем у половины с ниобиевым наномостиком. Исследователи изменяли магнитное поле внутри СКВИДа и наблюдали периодическое изменение критического тока. Так как асимметрия токов двух половин существенна, ожидалось, что форма сигнала будет полностью определяться синусоидальной формой критического тока на контакте с изолятором. Однако ученые наблюдали трансформацию из синусоидальной в асимметричную кривую с уменьшением магнитного поля.
Слева изображен СКВИД из ниобия. Розовым цветом обозначен кристалл изолятора на левом контакте, правый – ниобиевый наномостик. Справа — два режима измерения: со слабой асимметрией формы используемых ток-фазовых соотношений (зависимость критических токов состоит из синусоидальных и линейных режимов) и с сильной асимметрией (зависимость определяется туннельным током через изолятор). Источник: Nano Letters
Физики провели по 10 000 измерений при каждом значении магнитного поля и выяснили, что форма сигнала зависит от соотношения производных критических токов контактов. Когда производная критического тока наномостика сильно больше, чем у перехода с изолятором, — зависимость тока от магнитного поля синусоидальна и определяется вторым контактом, как и предсказано теорией. Когда производные токов сопоставимы, часть зависимости линейна — как у наномостика, а часть — синусоидальна.
Аналогичное изменение формы происходило при уменьшении температуры. Исследователи обобщили условия точного измерения магнитного поля, исходя из сигналов на эталонном и изучаемом контакте. Они отметили, что при определенных условиях нельзя восстановить весь изучаемый сигнал, потому что он будет перекрываться эталонным.
Также были выведены новые условия применимости этого режима измерений — должна быть большая разница не между критическими токами, а между их производными.
Эти открытия помогут проводить корректные измерения при помощи джозефсоновских переходов, выбирать эталонные материалы для контактов и грамотно интерпретировать экспериментальные данные.
Директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий д. ф.-м. н. Василий Столяров рассказал: «Мы нашли много работ, где измерения ток-фазовых соотношений были интерпретированы неправильно, что повлекло ошибочные выводы о физических явлениях в этих системах. Наша работа значительно углубляет понимание научного сообщества о поведении СКВИДов и ляжет в основу последующих работ по изучению джозефсоновских контактов со сложным ток-фазовым соотношением».
Исследование поддержано грантом РНФ (№ 23-72-30004)
Центр перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ является базовой организацией кафедры фундаментальной и прикладной физики микро- и наноструктур ЛФИ МФТИ. Прийти на кафедру и начать учиться и заниматься научной работой в области сверхпроводимости и электронных свойств новых материалов можно как в бакалавриате, так и после поступления в магистратуру или аспирантуру ЛФИ МФТИ.
