Энергия, которую вносит в сверхпроводник одиночный фотон, может регистрировать обнаруживаемый сигнал, поэтому сверхпроводники используются в некоторых чрезвычайно чувствительных детекторах. Теперь исследователи показали, как использовать эту чувствительность для создания карт сверхпроводящих свойств материала с нанометровым разрешением [¹]. Метод также может обнаруживать поляритоны — гибридные возбуждения света и вещества, которые могут быть полезны в квантовых технологиях — с более высоким разрешением, чем более ранние методы. Исследователи ожидают, что новый метод будет полезен в таких разных областях, как квантовая информация и нанофотоника.
Как это работает
Когда сверхпроводник, удерживаемый чуть ниже своей критической температуры, поглощает одиночный фотон, сверхпроводимость может быть разрушена в небольшой области материала, вызывая небольшой электрический сигнал.
Недавние достижения позволили расширить рабочие температуры таких детекторов и улучшить их чувствительность к фотонам в широком диапазоне частот, что позволило реализовать множество новых приложений.
Менгкун Лю из Университета Стони-Брук в Нью-Йорке и его коллеги задались вопросом, можно ли использовать ту же чувствительность для построения пространственных карт свойств сверхпроводящих образцов с высоким разрешением.
«Пространственные вариации часто влияют на сверхпроводящую прочность и когерентность, поэтому возможность визуализации этих свойств локально может дать ценную информацию», — говорит член команды из Стони-Брук Ран Цзин.
Существующие методы микроскопии
Текущие методы микроскопии используют электромагнитные волны, рассеянные от крошечного металлического зонда в форме иглы, или «наконечника», чтобы индуцировать локальные электромагнитные отклики в образце. Исследователи могут использовать эти отклики для создания высокодетализированных карт свойств материалов, особенно в полупроводниках. Но этому методу часто не хватает чувствительности, необходимой для обнаружения пространственных вариаций в сверхпроводниках или других материалах, которые обычно реагируют менее сильно на падающие электромагнитные волны, чем полупроводники.
Новый метод
Поэтому Лю и его коллеги разработали метод сканирующей зондовой микроскопии, адаптированный для сверхпроводников. В их установке инфракрасный луч рассеивается от металлического наконечника, который парит над поверхностью образца. Если свет поглощается, он может подавлять сверхпроводимость вблизи наконечника. Это подавление генерирует измеримое напряжение или ток через расположенные поблизости электроды.
Критическая температура в разных местах немного различается из-за дефектов кристаллической решётки, геометрии образца и всего, что может усилить или ослабить сверхпроводимость. В экспериментах исследователи повторяют сканирование при различных температурах, отслеживая сигнал, указывающий на потерю сверхпроводимости. Результаты могут предоставить пространственную карту таких свойств, как удельное сопротивление или локальная квантовая когерентность.
Команда продемонстрировала технику на образце ниобия в форме лука-бабочки с полосой шириной 200 нм, или «наномостиком», в центре. Результаты показали, что наномостик потерял свою сверхпроводимость при более низкой температуре, чем другие области, вероятно, из-за более высокой плотности тока.
Свойства наномостика были в центре внимания этого эксперимента, но техника может быть полезна и в других отношениях, говорит Цзин. «Исследуемым материалом может быть сам сверхпроводник или другой материал, нанесённый поверх наномостика или в непосредственной близости от него».
Лю и его коллеги также продемонстрировали ещё одно применение своей техники: обнаружение поляритонов, которые являются перспективными кандидатами для использования в квантовых технологиях.
Поляритоны — это гибридные частицы, частично состоящие из света и частично из электрических дипольных колебаний, и их трудно обнаружить, поскольку они маленькие и ограничены поверхностью. Исследователи направили среднеинфракрасный лазерный свет на гексагональный нитрид бора (h-BN), материал, известный тем, что поддерживает поляритоны, движущиеся по поверхности. Они поместили наномостик под тонкую плёнку h-BN. Когда поляритоны проходили над мостом, небольшие вариации электрического поля от поляритонов вызывали изменения в потоке тепла или тока в сверхпроводнике, создавая измеримый электрический сигнал, отражающий прохождение поляритонов.
Этот подход к обнаружению поляритонов требует в 10 000 раз меньше энергии, чем предыдущие методы, что позволяет получать изображения с более высоким разрешением.
Эта работа «открывает возможность получения пространственно разрешённых изображений деликатных устройств или материалов с помощью очень слабого облучения», — говорит специалист по квантовой материи Джастин Сонг из Наньянского технологического университета в Сингапуре. «Это может быть наиболее полезно для исследования сверхпроводников и других систем с хрупким порядком, где слишком сильный свет может разрушить упорядоченность».
Исследователи надеются в конечном итоге получить изображения более широкого класса материалов и устройств и изучить ряд поляритонных возбуждений. Эти системы могут включать устройства из скрученного графена и некоторые новые сверхпроводники, говорит Цзин. Техника также может быть полезна для характеристики сверхпроводящих устройств, используемых в кубитах, где микроскопические поверхностные дефекты или области окисления могут изменять сверхпроводящие свойства.
Марк Бьюкенен
Марк Бьюкенен — независимый научный писатель, который делит своё время между Абергавенни, Великобритания, и Нотр-Дам-де-Курсон, Франция.
¹ — здесь можно было бы дать пояснение, что подразумевается под «¹», например, «¹ — источник, ссылка на исследование».