Ученые из МФТИ, МГУ и ИФТТ РАН продемонстрировали возможность обнаружения проникновения абрикосовых вихрей через границу между сверхпроводником и ферромагнетиком. Прибор представляет собой нанопровод из ферромагнита, к которому подключены сверхпроводящие электроды.
Работа опубликована в Scientific Reports.
Материалы, теряющие сопротивление при температуре ниже критической Тс, называются сверхпроводниками. У них есть ещё одно удивительное свойство: выталкивание магнитного поля из своего объема (левитация). Такое происходит потому что по поверхности сверхпроводника возникает ток, который экранирует магнитное поле.
Существуют материалы, называемые сверхпроводниками второго рода, способные пропускать магнитный поток в виде квантованных вихрей при температуре ниже критической.
Это явление предсказал физик Алексей Абрикосов и получило его имя. Абрикосовский вихрь — это вихрь сверхпроводящего тока с несверхпроводящим ядром, несущим квант магнитного потока.
Ольга Скрябина, первый автор работы, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ, отмечает: «Наша цель — изучить особенности сосуществования противоречивых явлений в одномерных системах “сверхпроводник — ферромагнетик”. Такая системы интересны из-за сильной магнитной анизотропии и разных размерных и спиновых эффектов».
Эти явления делают материал перспективным для применения в функциональных гибридных наноустройствах, таких как сверхпроводящие преобразователи тока, спиновые затворы, магнитная память. Исследователи использовали нанопровод из никеля, являющегося ферромагнетиком, и подвели к нему контакты из ниобия, который является сверхпроводником.
©O. V. Skryabina et al. / Scientific Reports
Исследователи изучили систему из двух сверхпроводящих электродов из ниобия, соединенных никелевым нанопроводом. Изменение сопротивления нанопровода при изменении магнитного поля сильно зависит от явлений в области контакта между сверхпроводником и ферромагнетиком.
Первоначально физики изучали систему при нормальной температуре, превышающей критическую величину, и магнитном поле, равномерно проникающем во все части структуры (рисунок 2а). Сопротивление образца слабо изменялось с ростом магнитного поля. Затем ученые понизили температуру ниже критической. Ниобиевые электроды перешли в сверхпроводящее состояние, их сопротивление стало равным нулю. В этот момент наблюдался сильный рост сопротивления всей системы.
Вклад в сопротивление граничных областей «сверхпроводник — ферромагнетик» мог быть единственным источником этого явления. В то же время по ниобию протекали экранирующие токи, из-за чего сверхпроводник начал выталкивать магнитное поле (рисунок 2b). Эти явления приводят к тому, что кривые магнитосопротивления имеют необычную пилообразную форму и сдвиг относительно разных проходов по магнитному полю (рисунок 3).
Ольга Скрябина сообщает: «Мы поместили образец в магнитное поле, направленное параллельно длинной оси нанопровода. Выяснилось, что при измерении сопротивления образца в таких условиях можно зафиксировать момент входа или выхода кванта магнитного потока в сверхпроводящий электрод. Именно проникновение вихря в ниобий (рисунок 2с) или его выход оттуда и определяет пилообразность электрического сопротивления. Никелевый нанопровод в данной системе выступает как громоотвод, «притягивающий» магнитное поле. Контакт с ним ослабляет сверхпроводимость в ниобийных электродах, а значит, и локализует место проникновения вихрей Абрикосова».
Исследования показывают существенные различия между обычными электрическими схемами и сверхпроводящими цепями, что указывает на важность углубленных исследований гибридных сверхпроводящих устройств для развития сверхпроводящих цифровых и квантовых компьютеров, а также высокочувствительных сенсоров.
Работу поддержали Российский фонд фундаментальных исследований и Министерство образования и науки Российской Федерации.
ЛабораторияВ МФТИ проводятся теоретические и экспериментальные исследования фундаментальных физических свойств гибридных сверхпроводящих наноструктур. Исследуются металлические и полупроводниковые наноструктуры на основе контактов сверхпроводников с топологическими изоляторами. Физика «топологически защищенных» квантовых состояний — область науки, которая развивается бурно и привлекает большой интерес из-за перспективы создания принципиально новых типов приборов для спинтроники и квантовых вычислений. Актуальность этого обусловлена тем, что основная проблема реализации квантовых вычислений в передовых лабораториях мира — потеря квантовой когерентности из-за взаимодействия с окружающей средой.
