Veda a výskum

Príspevky členov Učenej spoločnosti Slovenska

Kvantový fázový prechod supravodič-izolant v ultratenkých filmoch

prof. RNDr. Peter Samuely, DrSc.

Centrum fyziky nízkyh teplôt Ústavu experimentálnej fyziky SAV a UPJŠ

Technológie XX. storočia využívajúce tranzistory, LED diódy, a pod. sú založené na objavoch kvantovej fyziky spred sto rokov. V súčasnosti nastupuje druhá kvantová revolúcia, ktorá využíva kvantovú koherenciu a previazanosť na makroskopickej škále. Nové kvantové technológie umožnia konštrukciu kvantových počítačov, kvantového prenosu kryptografických kľúčov a bezprecedentné zvýšenie citlivosti kvantových senzorov. Supravodivé materiály a nízke teploty patria ku kľúčovým nástrojom v týchto technológiách. Napr. neusporiadané supravodiče tvoria základ supravodivých nanodrôtov pre jednofotónové detektory (Superconducting Nanowire Single Photon Detectors, SNSPD). SNSPD majú uplatnenie napr. pri distribúcii kvantových kryptografických kľúčov.

Pokrok v týchto oblastiach je závislý na výskume nových kvantových materiálov. Košické Centrum fyziky nízkych teplôt, spoločné pracovisko Ústavu experimentálnej fyziky SAV a UPJŠ, spolu s kolegami z FMFI UK Bratislava dlhodobo študuje silno neusporiadané supravodiče v blízkosti kvantového fázového prechodu supravodič-izolant. Zistili sme, že stenčovaním supravodivého filmu MoC sa v ňom zvyšuje neusporiadanosť, takže nakoniec prejde do izolačného stavu pri hrúbke pod 2 nm. V práci P. Szabó et al., Phys. Rev. B 2016 sme prvýkrát spektroskopicky ukázali, že fázový prechod v MoC prebieha tzv. fermiónovou cestou, kde neusporiadanosť vedie k depárovaniu Cooperových elektrónových dvojíc v supravodiči a prechodu do stavu takmer lokalizovaných elektrónov, t.j. zlého kovu.

V ďalšej práci (Phys. Rev. B 2020) sme študovali pri nízkych teplotách prechod supravodič-izolant v magnetickom poli kolmom na silne neusporiadaný MoC film. Magnetické pole potláča supravodivosť, zatvára supravodivú energetickú medzeru, ktorá v kritickom poli Bc2 zmizne, ale pri väčšom poli sa nečakane otvorí nová energetická medzera, ktorá sa zväčšuje. Ukázali sme, že je to dôsledkom spinovo závislej Altšulerovej-Aronovej korekcie hustoty kvázičasticových stavov.

https://cltp.saske.sk/

http://emplatform.eu/about/partners

Image1

V práci P. Szabó et al., Fermionic scenario for the destruction of superconductivity in ultrathin MoC films evidenced by STM measurements, PHYSICAL REVIEW B 93 (2016) 014505, sme využívali rastrovaciu tunelovú mikroskopiu pri veľmi nízkych teplotách od 0,45 K. Na obrázku je v stĺpci (a) ukázaná topografia povrchu MoC filmu s hrúbkou 10 nm, kde vidno nanozrná, podtým je zobrazených 100 STM tunelových spektier pozdĺž čiary dlhej 300 nm na povrchu, tieto spektrá vykazujú homogénnu supravodivú energetickú medzeru a v treťom rade je zobrazená teplotná závislosť spektier s teplotou prechodu do supravodivého stavu pri Tc=6,5 K. Stĺpec (b) prináša údaje o 5 nm hrubom filme (v pravom hornom rohu je zväčšenina topografie s kryštalickou mriežkou Mo atómov v nanozrne) a stĺpec (c) o 3 nm MoC filme. Stenčovanie filmu vedie ku potláčaniu Tc až do 1,25 K, zmenšovaniu energetickej medzery a rozmazaniu spektier.

 

Image2

V práci M. Žemlička et al., Zeeman-driven superconductor-insulator transition in strongly disordered MoC films: Scanning tunneling microscopy and transport studies in a transverse magnetic field, PHYSICAL REVIEW B 102, 180508(R) (2020), sme študovali prechod 3 nm MoC filmu pod vplyvom magnetického poľa zo supravodivého stavu pri teplote 0,5 K, kde STM tunelová vodivosť dI/dV (V) vykazuje supravodivú energetickú medzeru, do normálneho stavu s potlačenou medzerou (pri cca 6 T). Vo vyššom magnetickom poli sa prekvapivo otvára nová energetická medzera v okne niekoľkých meV, ktorá je dôsledkom kvantovej korekcie v kvázičasticovej hustote stavov pod vplyvom efektu Altšulera-Aronova. Vpravo je obrázok elektrickej vodivosti (horná plná čiara), ktorá vykazuje kvantovú korekciu (energetickú medzeru) oproti nekorigovanej krivke (prerušovaná čiara) v oveľa väčšom intervale energie (4 eV). Tento výsledok bol získaný z viacerých meraní až po optické frekvencie a ukazuje, že Altšulerov-Aronovov efekt môže byť v neusporiadaných systémoch nečakane veľký (P. Neillinger et al., Observation of quantum corrections to conductivity up to optical frequencies, Phys. Rev. B 100, 241106(R) (2019)).