Исследовательская группа из университета Тохоку изготовила высокотемпературный сверхпроводник атомной толщины с температурой сверхпроводящего перехода (Тс) до 60 К (-213 °С). Также найден способ управления температурой сверхпроводящего перехода. Эта разработка не только дает идеальный объект для исследования механизма сверхпроводимости в двумерной системе, но также прокладывает путь для развития устройств следующего поколения - наносверхпроводящих.
Результаты исследования были опубликованы в Nature Materials.
Сверхпроводники считаются одними из самых перспективных материалов для следующего поколения электронных устройств, поскольку уникальные квантовые эффекты в сверхпроводниках могут обеспечить большое преимущество в экономии энергии и сверхвысокой скорости обработки данных.
Однако для широкого применения сверхпроводящих устройств есть много препятствий. Самым большим из них является необходимость огромной и дорогой системы охлаждения с жидким гелием из-за низкой Тс обычных сверхпроводников, которая близка к абсолютному нулю (0 K, -273 °C). Также сложно реализовать высокую плотность сверхпроводников в электронных устройствах. Для преодоления этих проблем необходимо разработать новый сверхпроводник с более высокой Тс, который может быть изготовлен в виде тонкой пленки.
Исследовательская группа из университета Тохоку обратила свое внимание на селенид железа (FeSe), который является представителем железосодержащих сверхпроводников (группа сверхпроводников, состоящих из двумерного слоя железа, которые впервые были обнаружены в 2008 году профессором Хидео Хосоно из Токийского технологического института в Японии). В то время как Тс объемного FeSe только 8 К (-265 °С), характерные черты высокого значения температуры сверхпроводящего перехода было выявлены в ультратонкой пленке.
Исследователи сначала изготавливали высококачественные плёнки FeSe атомной толщины (рис. 1), с толщиной от одного монослоя (что соответствует трем атомам толщины) до двадцати монослоев (толщина шестьдесят атомов), с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Затем они тщательно исследовали электронную структуру выращенных плёнок с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (рис. 2).
Рисунок 1. Кристаллическая структура пленки FeSe атомной толщины.
Синий и зеленый кружки - атомы железа (Fe) и селена (Se), соответственно. Температура сверхпроводящего перехода изменена путем введения электронов от осаждения атомов калия (оранжевые круги) на поверхности. Желтые круги представляют собой пару сверхпроводящих электронов (куперовскую пару).
Рисунок 2. Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением.
Электроны испускаются с поверхности при воздействии ультрафиолетового света. Электронная структура кристалла определяется путем измерения энергии и угла эмиссии электронов.
В ходе этих измерений исследователи наблюдали открытие сверхпроводящей щели при низкой температуре, которое является прямым свидетельством появления сверхпроводимости в пленках (рис. 3). Исследователи обнаружили, что Тс однослойной пленки удивительно высокая (выше 60 К), что примерно в 8 раз выше, чем Тс массивного селенида железа.
Рисунок 3. Спектры фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешениемсверхпроводящей щели в монослойной FeSe-плёнке.
Сверхпроводящая щель (выделено затененной областью) отчетливо наблюдается при низких температурах. С увеличением температуры щель постепенно сокращается и исчезает около 60 К.
В то время как многослойные пленки не демонстрируют сверхпроводимость после выращивания, исследователи обнаружили новый способ внедрять атомы щелочных металлов в плёнки и тем самым контролировать плотность электронов в ней. Используя этот метод, исследователям удалось превратить несверхпроводящие многослойные FeSe-плёнки в высокотемпературные сверхпроводники с Тс ~50 К.
Настоящий результат делает большой вклад как в теоретические, так и прикладные исследования сверхпроводников. Исследователями показано, как возникает сверхпроводимость, усиливается и контролируется в атомно-тонких пленках FeSe. В то время как значения Тс (50-60 К), достигнутые в этом исследовании, по-прежнему ниже, чем для сверхпроводников на основе купратов (135 К), но превышают показатели других ВТСП, таких как фуллереновые (С60) сверхпроводники (Тс ~ 33 К) и MgB2 (Tc ~ 39K), приближаясь к температуре жидкого азота (77 К).
Данное исследование будет продолжено с целью повышения Tc путем изменения количества атомных слоев и легированных электронов, а также типов подложки. Успех в изготовлении высокотемпературного сверхпроводника атомной толщины не только обеспечивает идеальную платформу для исследования двумерной сверхпроводимости, но также открывает перспективы разработки сверхпроводящего наноустройства, состоящего из электронных компонентов атомных размеров.
