Золотая прослойка всего в один атом сделала сверхпроводящие пленки стабильнее и увеличила их рабочую температуру

Российские ученые выяснили, что тонкий слой золота позволяет усовершенствовать сверхпроводящие характеристики свинцовых пленок на поверхности кремния. Физики не только повысили их устойчивость, но и увеличили температуру, при которой эти структуры переходят в состояние сверхпроводимости. Для двумерных систем достичь такого эффекта довольно сложно; в дальнейшем понимание его фундаментальных принципов позволит создавать новые устройства, использующие сверхпроводимость для получения сильных магнитных полей — в томографах и ускорителях частиц. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале The Journal of Physical Chemistry Letters.

Явление сверхпроводимости используется для создания сильных магнитных полей. Обычно для этого применяют электромагниты, которые при пропускании через них электрического тока генерируют магнитное поле. Если в конструкции электромагнита используются катушки из сверхпроводящих проводов, то такой электромагнит называют сверхпроводящим.
 
Сверхпроводящие магниты используются, например, при создании магнитной подушки для скоростных поездов или в ускорителях частиц. Но сверхпроводящие свойства — а значит, нулевое электрическое сопротивление и возможность проводить очень большие токи без потери энергии — возникают только при охлаждении системы до критических температур. Критическая температура для разных материалов будет неодинакова: так, для свинца она составляет — 7,2 К (-265,95°C), а для алюминия — 1,2 К (-271,95°C).
 
Соединение свинца и кремния служит примером системы, способной переходить в состояние сверхпроводимости, поэтому его можно использовать для создания сверхпроводящего магнита. Однако обычно такое состояние недостаточно стабильно. Исследователи ищут пути решения этой проблемы и стремятся усовершенствовать существующие системы, а также активно работают над созданием высокотемпературных сверхпроводников — таких, которые будут работать при относительно больших температурах.

Ученые из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН (Владивосток) и Дальневосточного федерального университета (Владивосток) улучшили сверхпроводимость двумерных свинцовых пленок на поверхности кремния. Для этого авторы поместили слой золота толщиной всего в один атом между поверхностью кремния и свинцовой пленкой, а затем изучили процессы, которые происходили в такой системе. Исследователи использовали золото, так как их предыдущие опыты показали: атомы золота обычно сильнее связаны с подложкой (кремнием), чем с атомами других металлов (например свинца, таллия и индия). Это позволяет отделить атомный слой от подложки и сформировать буферный монослой золота между подложкой кремния и слоями свинца атомарной толщины.
 
В ходе экспериментов физики выяснили, что критическая температура «золотой» системы увеличилась на 0,5–2 градуса Кельвина. Ученые подчеркивают: важен не столько количественный результат, сколько сам факт увеличения критической температуры, потому что добиться такого эффекта в двумерных системах довольно сложно. Более того, система, в которой в качестве буферного слоя используется золото, является стабильной, в ней не происходит деформации слоев при низких температурах. Значит, при помощи драгоценного металла можно не только увеличить критическую температуру, но и контролировать устойчивость системы.

«Сверхпроводимость в моноатомных слоях была открыта сравнительно недавно — в 2011 году, но все еще остается слабо изученной. На этом фоне полученные результаты вносят существенный фундаментальный вклад в понимание самого явления двумерной сверхпроводимости», — рассказывает Леонид Бондаренко, основной исполнитель проекта по гранту РНФ, старший научный сотрудник Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН. 

Руководителем проекта по гранту РНФ являлся Андрей Зотов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией технологии двумерной микроэлектроники ИАПУ ДВО РАН, также в команду исследователей входит Александр Саранин, доктор физико-математических наук, руководителя отдела физики поверхности, заместитель директора по научной работе ИАПУ ДВО РАН.