сверхпроводимость тонких плёнок

Прозрачная плёнка оксида висмута-вольфрама лежит на подложке и не проводит ток. Три минуты в облаке азотной плазмы, и она чернеет, а сопротивление падает в миллиард раз. Секрет не в новых атомах, а в перестановке старых: пустые места, где раньше сидел кислород, выстраиваются в ровные ряды, как солдаты по команде. Эта шеренга пустот становится дорогой для электронов.

Тонкий слой арсенида индия спрятан под сверхпроводящей плёнкой, как голос под шумом толпы. Ток в таком гибриде выбирает путь наименьшего сопротивления и почти весь течёт по металлу, поэтому полупроводник остаётся неслышным для обычных приборов.

Микроволновая печь греет еду, но в лаборатории микроволны сделали нечто иное: превратили сверхпроводник в постоянный магнит. Плёнка из оксида иттрия-бария-меди толщиной 300 нанометров, охлаждённая до 80 кельвинов, откликнулась на излучение частотой 5 гигагерц.

Тонкая плёнка нитрида циркония лежит на подложке из оксида магния. Толщина — две десятых микрона, как у паутинки, но внутри кипит квантовая жизнь. При охлаждении до полукельвина сверхпроводимость в ней не исчезает сразу: она распадается на редкие островки, которые ещё держатся среди беспорядка.

Ток в обычном металле течёт как толпа людей по прямой улице: каждый электрон — сам по себе, и если включить магнитное поле, вся толпа слегка сдвигается вбок. Этот сдвиг называют эффектом Холла. Но в «странных металлах» — материалах, где электроны ведут себя не как отдельные частицы, а как единое целое — картина ломается.

Внутри алмазной наковальни, сжимающей образец с силой, в миллионы раз превышающей атмосферное давление, тонкая плёнка лантана встречается с водородом. Водород поступает из аммиак-борана — порошка, который при нагреве отдаёт свой водород, как губка отдаёт воду.

Микросхема размером с ноготь выделяет столько же тепла, сколько маленькая лампочка. Отвести это тепло — всё равно что вычерпать чайной ложкой горячий чай из стакана: материал-изолятор вокруг транзисторов обычно плохо проводит тепло.

Квантовая спиновая жидкость — экзотическое состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов (спины) ведут себя подобно жидкости: они непрерывно флуктуируют и не застывают в упорядоченную структуру даже при экстремально низких температурах.

Кристалл уран-мышьяк (UAs2) под давлением ведёт себя как дом с двумя комнатами. В одной комнате электроны сидят на месте, в другой — свободно гуляют. При обычных условиях это классический «решёточный Кондо»: тяжёлые, почти неподвижные электроны на орбиталях 5f5/2 окружены морем быстрых электронов проводимости. Возникает плоская зона — словно полка, где скорости электронов почти нет.

Тонкая, как мыльная плёнка, пластинка керамики — и в ней течёт ток без малейшего сопротивления. Так выглядит сверхпроводимость, которую удалось получить в никелатах — родственниках знаменитых купратных сверхпроводников. Обычно для этого требовалось гигантское давление, сравнимое с давлением на дне океана.

Тонкая плёнка из оксида иттрия-бария-меди греется в потоке инфракрасных лучей — и вдруг перестаёт рассеивать энергию. Это сверхпроводимость: электроны объединяются в пары и движутся единым квантовым роем. Но в недодопированных образцах согласие нарушается задолго до того, как пары распадутся. Они уже есть, а общий ритм ещё нет.

Гончар острым резцом наносит узор на ещё сырую глиняную плитку. Одно неверное движение — и линия расплывается, а плитка трескается. Примерно так же физики работают с плёнками высокотемпературного сверхпроводника YBCO (соединение иттрия, бария, меди и кислорода). Только резец у них — тончайший пучок ионов гелия, а плитка — слой керамики толщиной в сотни атомов.

Электроны в обычном проводнике ведут себя как хаотичная толпа: сталкиваясь друг с другом и с дефектами решётки, они теряют энергию, что проявляется как электрическое сопротивление. В сверхпроводнике же электроны движутся согласованно, словно пары в слаженном танце, не задевая друг друга.

Переполненный стадион: болельщики мечутся хаотично, создавая толчею и сопротивление. Так ведут себя электроны в обычном проводнике. При сверхпроводимости они объединяются в пары и движутся синхронно — как зрители, взявшиеся за руки и спокойно покидающие трибуны, без потерь энергии.

Кристалл, похожий на стопку блинов, положили на гладкую подложку из оксида магния. Получилась плёнка толщиной в сотни атомов. Когда через неё пустили ток и включили магнит, сопротивление выросло почти на четверть — на 22,5% при поле 9 тесла. Внутри плёнки электричество переносят два потока частиц. Одни — быстрые и лёгкие, как мотоциклисты на свободной трассе.

Мозаичный пол из множества мелких плиток, повёрнутых в разные стороны. Казалось бы, любой узор, который пытается пройти сквозь такой пол, должен сбиться и исчезнуть. Именно так обычно думают о беспорядке в кристаллах: если атомы не выстроены в идеальную решётку, тонкие квантовые эффекты должны разрушиться.

Когда вы нажимаете выключатель, свет загорается не сразу — электронам в проводах нужно время, чтобы «раскачаться» и дружно двинуться в путь. В обычных металлах и полупроводниках ток набирает силу постепенно, как вода в шланге, когда кран только открыли.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

Обычный транзистор в телефоне создают в вакуумной камере, где атомы осаждаются слой за слоем. Дорого и долго. Но оксид индия можно напечатать как чернила — из капли жидкого металла, которая на воздухе сама покрывается тонкой оксидной плёнкой. Авторы взяли индий, расплавили его и прокатали по подложке при 250 градусах.

Сверхпроводник похож на город, где электрический ток течёт без светофоров и пробок. Но у кристалла UTe2 есть особенность: его поверхность живёт по другим правилам, чем внутренность. На атомах теллура, которые сидят на поверхности, электроны нашли себе «лазейку» — состояния с такими энергиями, которые внутри кристалла запрещены.

Сплав палладия и теллура, в который добавили немного золота, ведёт себя как провод, теряющий сопротивление при охлаждении. При обычном давлении у трёх образцов с разным содержанием золота температура перехода в сверхпроводящее состояние составила 2.7, 4.1 и 4.6 кельвина — это холоднее, чем в морозильной камере, примерно как в открытом космосе.

Ковёр лежит ровно, но если его толкнуть с краю, по нему побегут складки. В тонкой плёнке сульфида тантала (1T-TaS2) складки из электронов — волны заряда — застывают, как будто ковёр примёрз к полу. Чтобы сдвинуть их, нужно приложить усилие. Учёные нашли способ управлять этим усилием с помощью электрического поля и магнита.

Лист графена толщиной в один атом скручивают под небольшим углом, и он начинает вести себя как слоёный пирог, где слои слегка повёрнуты друг относительно друга. При определённом угле поворота этот материал становится сверхпроводником: электроны начинают двигаться парами, как танцоры в вальсе, не теряя энергии. Но что именно происходит внутри, до сих пор оставалось загадкой.

Обычно для получения терагерцовых волн (это свет между микроволнами и инфракрасным излучением) строят сэндвич из разных металлов. В нём один слой служит источником, а другой — приёмником зарядов. Платине в таких конструкциях отводили роль простого проводника. Но оказалось, что она может работать и в одиночку.

Тонкая плёнка из оксида никеля толщиной в десятки нанометров — как лист бумаги, сложенный в сотни раз тоньше. При комнатной температуре она проводит электричество, но стоит слегка охладить — становится изолятором. Этот переход металл-изолятор давно известен, но как при этом ведёт себя тепло, оставалось загадкой.

Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.

Металл — это море электронов, которые движутся почти свободно, сталкиваясь лишь изредка. Но в некоторых материалах это море вдруг становится вязким и непредсказуемым: электроны перестают вести себя как независимые частицы. Физики называют такое состояние «не ферми-жидкостным», и оно до сих пор остаётся загадкой.

Магнитные атомы в твёрдом теле похожи на стрелки компасов: обычно при охлаждении они выстраиваются в одном направлении — так возникает магнетизм. Но в веществе TbInO3 стрелки тербия сидят на треугольной решётке, где невозможно угодить всем соседям сразу. Одна стрелка хочет смотреть на север, другая — на юг, и в итоге ни одна не может занять устойчивое положение.

Сверхпроводник — это материал, который при сильном охлаждении проводит ток без потерь, как вода течёт по идеально гладкой трубе. Но если ударить по нему короткой вспышкой света, он быстро теряет это свойство. В новом опыте учёные освещали тонкую плёнку нитрида ниобия и замеряли, за сколько миллиардных долей секунды исчезает сверхпроводимость.

Обычная пайка не подходит для квантовых схем: при охлаждении до температуры жидкого гелия металл трескается, а сами контакты вносят шум. Инженеры из исследовательской группы попробовали другое — каплю галлиевого сплава, которая остаётся жидкой при комнатной температуре, как ртуть в старом градуснике.

Лист бумаги в сотни раз тоньше человеческого волоса — примерно такой толщины плёнку из оксида ванадия вырастили учёные. Внутри этой плёнки электроны, крошечные носители электрического тока, движутся почти без столкновений. Словно машины на пустой ночной трассе, они разгоняются и не теряют скорость.

Звук на поверхности кристалла — как рябь на воде, только бежит по твёрдому телу. Такая рябь называется поверхностной акустической волной: она движется в сто тысяч раз медленнее света, поэтому её можно сжать в очень короткие отрезки и уместить на крошечном чипе. Обычно такие волны запускают металлическими гребёнками из алюминия или золота.

Тонкая плёнка из ниобия и олова проводит ток без сопротивления, пока её не сделать совсем уж тонкой. Тогда она внезапно становится изолятором. Группа физиков проверила, что будет, если в плёнку добавить чуть больше олова, чем нужно по формуле.

Квантовый компьютер похож на музыкальный инструмент: даже крошечная царапина на струне портит звук. Вместо струн — сверхпроводящие резонаторы, тонкие дорожки из нитрида титана на кремниевой пластине. Они должны хранить квантовую информацию, но любая неровность или лишний атом на поверхности забирает энергию, как трещина в колоколе гасит звон.

Слоистый материал (SnS)1.15(TaS2) напоминает стопку бумаги, где листы проводят ток, а между ними — прослойки, которые мешают слоям слипаться. При обычном давлении этот материал проводит ток без сопротивления, то есть является сверхпроводником.

Обычный сверхпроводник и магнитное поле — как вода и огонь: поле разрывает пары электронов, которые переносят ток без сопротивления. Но стоит вместо сплошной плёнки взять россыпь мельчайших алюминиевых крупинок, каждая из которых покрыта тонким слоем оксида, и ситуация меняется.

Кристалл — как идеально выложенная мозаика из атомов. Но вырастить такую мозаику — задача со звёздочкой: чуть сбился порядок, и появляются «швы» — границы, где ряды атомов не совпадают. Для обычной электроники это мелочь, а для квантового компьютера — катастрофа. Квантовый бит (кубит) хранит информацию в нежном состоянии, которое разрушается от малейшего беспорядка в материале.

Обычный провод греется, когда по нему идёт ток. Сверхпроводник — нет. Но почти все известные сверхпроводники работают либо при очень низкой температуре, либо под огромным давлением, как в недрах планет. Учёные давно ищут материал, который обходится без этих крайностей. В новой работе взяли соединение лития, меди и водорода — Li3CuH4.

Электрон в металле обычно похож на человека в час пик: он постоянно натыкается на других и теряет направление. Но если убрать препятствия, он может лететь по прямой, как машина по пустому ночному шоссе. Такое движение называют баллистическим — от слова «баллиста», древней метательной машины, которая посылала камень без помех.

Солнечный свет падает на крышу, и в тонкой плёнке рождаются электроны. Они должны успеть добежать до проводов, пока не остыли и не растеряли энергию. В сульфиде олова — дешёвом и доступном материале для батарей — этот бег и остывание удалось снять с невиданной резкостью: кадры следуют через миллиардные доли миллиардной доли секунды.