Гетероструктуры из квантовых нано-проволок со спин-орбитальным взаимодействием, сверхпроводников и магнетиковНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 марта 2013 г.-28 февраля 2014 г. Гетероструктуры из квантовых нано-проволок со спин-орбитальным взаимодействием, сверхпроводников и магнетиков
Результаты этапа: Методом темплатного электрохимического осаждения с применением в качестве матриц анодного оксида алюминия и полимерных трековых мембран получены одномерные наноструктуры (нанонити) Cu и Bi с диаметрами от 60 до 150 нм и длиной, достигающей 20 мкм, что обеспечивает возможность проведения 4-х точечных экспериментов. Согласно данным электронной микроскопии и электронной дифракции, характерными структурными элементами висмутовых нитей являются монокристаллические фрагменты длиной 0,2 – 1,5 мкм, разделенные межзеренными границами. При помощи фокусированного пучка ионов галлия (FIB) изготовлены сверхпроводящие (W-Ga) контакты на основе соединения галлия и вольфрама - (Тс около 5 К) к нанонитям Bi длиной 2 – 5 мкм и диаметром 150 нм. Сопротивление нитей при комнатной температуре составляет от 2 до 16 кОм. На трех таких (W-Ga)/Bi/(W-Ga) контактах группой соисполнителей из Орсэ обнаружен сверпроводящий ток и осцилляции величины критического тока в поперечном магнитном поле при температурах ниже 1 К и при полях вплоть до 11 Тесла. Разработан подход к теории осцилляций магнетосопротивления висмутовых нанонитей, основанный на представлении о сильном спин-орбитальном вкладе в спектр поверхностных состояний, обеспечивающий проводимость вдоль проволоки. Дана интерпретация обнаруженных в эксперименте осцилляций величины критического тока с магнитным полем с малым периодом ~ 150 Гаусс на основе представления о сильном спин-орбитальном вкладе в спектр поверхностных электронов висмута. В рамках той же концепции объяснена устойчивость джозефсоновского тока по отношению к очень сильным магнитным полям. На примере Cu нанонитей диаметром 150 нм и длиной 15-20 мкм отработана фотолитографическая методика подведения сверхпроводящих контактов по 4-х точечной схеме. Удельное сопротивление медных нанонитей при комнатной температуре составляет 1,32 мкОм*см. При гелиевых температурах удельное сопротивление примерно в 4,5 раза меньше, что соответствует длине свободного пробега электронов около 200 нм. Это показывает, что рассеяние происходит в основном на стенках нанонитей, что подтверждает высокое качество (монокристалличность) медных нанопроволок.
2 1 марта 2014 г.-28 февраля 2015 г. Гетероструктуры из квантовых нано-проволок со спин-орбитальным взаимодействием, сверхпроводников и магнетиков
Результаты этапа: В 2014 году работы по проекту включали: оптимизацию условий формирования одномерных наноструктур и подведения контактов к единичным нанонитям; проведение транспортных измерений; теоретические исследования электронного транспорта в металлических нанонитях (в том числе в связи с интерпретацией экспериментальных данных в рамках проекта). Результаты позволяют целенаправленно получать массивы Bi нанонитей с диаметрами в интервале от 50 до 180 нм, длинами до 20 мкм, с характерными длинами монокристаллических сегментов 0,5 – 2 мкм и преимущественной ориентацией вдоль кристаллографического направления [110] ромбоэдрической структуры. Изготовлены также образцы нитевидных гетероструктур, содержащих чередующиеся сегменты, обогащенные медью (с примесью до 10 ат. % Ni) и никелем (содержанием Ni не ниже 85 ат. %). Отработана литогафическая методика приготовления джозефсоновских наноструктур Nb/Cu-нанонить/Nb. На основе проведенных на них измерений магнитополевых и температурных зависимостей критического тока установлено сильное подавление наведенной сверхпроводимости магнитным полем в джозефсоновских барьерах, что согласуется с моделью джозефсоновского перехода с барьером из нанонити с малым поперечным сечением. Построена теория осцилляций магнетосопротивления висмутовых нанонитей в продольном магнитном поле, объясняющая результаты опубликованных экспериментов (A. Nikolaeva et al, 2008). Показано, что результатом неизбежных флуктуаций диаметра проволоки по ее длине является существенное подавление (уже при относительном изменении радиуса на величину немногим более фермиевской длины волны) амплитуды «обычных» Аарон-Бомовских осцилляций с периодом hc/e, в то время как на амплитуду осцилляций со «сверхпроводящим» периодом такие флуктуации диаметра влияния не оказывают. Завершена микроскопическая характеристика структур (нанонитей висмута со сверхпроводящими контактами), на которых были на первом этапе проекта зарегистрированы осцилляции критического тока, не подавлявшиеся (в отличие от всех ранее известных ситуаций) магнитным полем вплоть до очень высоких магнитных полей ~ 10 тесла. Предложены основы теории магнито-полевой зависимости критического тока джозефсона через висмутовую нанопроволоку, соединяющую сверхпроводящие берега. В рамках этой теории удается объяснить (по крайней мере качественно) эффект, полученный в совместном российско-французском эксперименте, сильным спин-орбитальным вкладом в спектр поверхностных состояний, обеспечивающим проводимость вдоль нанопроволоки.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".