Физики МФТИ исследуют фотогальванические эффекты в сверхпроводниках. Проект направлен на изучение фундаментальных проблем взаимодействия электромагнитного излучения со сверхпроводящими материалами и искусственными структурами, включая системы сверхпроводник–ферромагнетик. Результаты проекта заложат основу для разработки новых устройств низкотемпературной электроники, обладающих высоким быстродействием и низким энергопотреблением.
Основная цель проекта – изучение фотогальванических эффектов, проявляющихся в генерации электрического тока и магнитного момента сверхпроводника под воздействием света. Эти эффекты могут существенно упростить процесс генерации электрического тока, текущего без потери энергии, а также устойчивых к внешним воздействиям магнитных состояний. Изучаемые в проекте явления могут открыть возможности для создания высокоэффективных элементов оптоэлектроники и новых устройств квантовой спинтроники, управляемых светом.
«Наш проект имеет высокую научную и прикладную значимость. Его реализация позволит значительно углубить фундаментальные знания о нелинейной электродинамике сверхпроводников, расширить существующую теоретическую базу и заложить основу для создания новых типов элементов низкотемпературной вычислительной электроники (например, ячеек памяти или контроллеров тока)», — рассказал главный научный сотрудник лаборатории спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Александр Мельников.
Команда учёных намерена построить теорию фотогальванических эффектов как в однородных сверхпроводящих материалах, так и в широком классе многослойных структур, в которых сверхпроводники находятся в электрическом контакте с ферромагнетиками.
«Исследования охватывают разработку как феноменологических моделей, так и строгих микроскопических теорий нелинейного отклика, включая описание фотонного увлечения куперовских пар, спонтанной генерации токов и магнитных моментов, образования вихрей Абрикосова в поле излучения, а также обратного эффекта Фарадея. Особое внимание уделяется изучению роли эффекта близости и спин-орбитального взаимодействия в гибридных структурах», — добавил Мельников.
Проект основан на результатах, полученных участниками коллектива за последние несколько лет и опубликованных в ведущих мировых изданиях, таких как Physical Review Letters, Advanced Quantum Technologies, Physical Review B и Письма в ЖЭТФ. План работ по проекту рассчитан на три года. На первом этапе авторы создадут обобщённую теорию фотогальванических эффектов, возникающих под действием электромагнитных волн с ненулевым орбитальным моментом (так называемого структурированного света), и поймут, как этот свет взаимодействует со сверхпроводящими конденсатами и создает в них электрический ток. Затем учёные будут разрабатывать микроскопическую теорию, учитывающую спин-орбитальное взаимодействие, изучать нелинейный электромагнитный отклик в сверхпроводниках, а также моделировать взаимодействие вихревых состояний с излучением.
На завершающем этапе проекта авторы сосредоточатся на анализе фотогальванических эффектов в гибридных системах, состоящих из сверхпроводника и нескольких ферромагнитных слоёв. Ученые также планируют исследовать пространственную дисперсию и магнитокиральные эффекты, представляющие интерес для фотоники и материаловедения.
Участники проекта: Антон Беспалов, Александр Мельников и Александр Копасов. Фото: пресс-служба МФТИ
Итогом работы станет вычисление экспериментально измеримых величин (например, электрического тока, магнитного момента, распределения вихрей, амплитуды второй гармоники в электромагнитном отклике сверхпроводника) и разработка предложений для экспериментального наблюдения предсказанных эффектов.
Ожидается, что полученные результаты найдут применение в сверхпроводящей оптофлаксонике и спинтронике — при создании элементов, в которых спиновые и зарядовые токи управляются при помощи света, а также в криоэлектронике для разработки элементов микросхем, работающих при сверхнизких температурах. Кроме того, они будут полезны при создании компонентов для устройств квантовых вычислений, таких как ячейки памяти, фазовые батарейки и контроллеры тока.
В долгосрочной перспективе проект МФТИ может положить начало разработке новых технологий, основанных на управлении сверхпроводящими состояниями с помощью света и имеющих потенциальные приложения в сферах электроники, телекоммуникаций и научной приборостроительной техники.
Работа поддержана грантом РНФ № 25-12-00042.
