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 позволяет 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 новая методика будет полезна в таких разнообразных областях, как квантовая информация и нанофотоника.
Принцип работы
Когда сверхпроводник, удерживаемый чуть ниже своей критической температуры, поглощает одиночный фотон, сверхпроводимость может быть разрушена в небольшой области материала, вызывая небольшой электрический сигнал.
Когда сверхпроводник находится чуть ниже своей критической температуры, поглощение одиночного фотона может разрушить сверхпроводимость в небольшой области материала, вызывая небольшой электрический сигнал. Недавние достижения позволили расширить рабочие температуры таких детекторов и повысить их чувствительность к фотонам в широком диапазоне частот, что сделало возможным множество новых применений.
Когда сверхпроводник, находящийся чуть ниже своей критической температуры, поглощает одиночный фотон, сверхпроводимость может быть нарушена в небольшой области материала, вызывая небольшой электрический сигнал.
Мэнкун Лю из Университета Стони Брук в Нью-Йорке и его коллеги задались вопросом, можно ли использовать ту же чувствительность для создания пространственных карт свойств сверхпроводящих образцов с высоким разрешением. «Пространственные вариации часто влияют на сверхпроводящую прочность и когерентность, поэтому возможность визуализации этих свойств локально принесла бы ценную информацию», — говорит член команды Стони Брук Ран Цзин.
Существующие методы микроскопии
Текущие методы микроскопии используют электромагнитные волны, рассеиваемые от крошечного иглообразного металлического зонда, или «наконечника», чтобы вызвать локальные электромагнитные отклики в образце. Исследователи могут использовать эти отклики для создания высокодетализированных карт свойств материала, 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.
Новая методика
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 поглощается, свет может подавлять сверхпроводимость вблизи наконечника. Это подавление генерирует измеримое напряжение или ток через расположенные поблизости электроды.
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, используя образец сверхпроводника ниобия в форме лука-бабочки, в центре которого была полоса шириной 200 нм, или «наномост». Результаты показали, что наномост потерял свою сверхпроводимость при более низкой температуре, чем другие области, вероятно, из-за более высокой плотности тока.
Свойства наномоста были в центре внимания этого эксперимента, но, по словам Цзина, методика может быть полезна и в других отношениях. «Исследуемым материалом может быть сам сверхпроводник, или это может быть другой материал, нанесённый поверх наномоста или в непосредственной близости от него».
Лю и его коллеги также продемонстрировали ещё одно применение своей методики: обнаружение поляритонов, которые являются перспективными кандидатами для использования в квантовых технологиях.
Обнаружение поляритонов
Поляритоны — это гибридные частицы, частично состоящие из света и частично из электрических дипольных колебаний, — их трудно обнаружить, поскольку они маленькие и ограничены поверхностью. Исследователи направили среднеинфракрасное лазерное излучение на гексагональный нитрид бора (h-BN), материал, известный тем, что поддерживает поляритоны, движущиеся по поверхности. Они поместили наномост под тонкую плёнку h-BN. Когда поляритоны проходили над мостом, небольшие вариации электрического поля от поляритонов вызывали изменения в тепловом потоке или токе в сверхпроводнике, создавая измеримый электрический сигнал, отражающий прохождение поляритонов.
Этот подход к обнаружению поляритонов требует в 10 000 раз меньше мощности, 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 Технологического университета Наньян в Сингапуре. «Это может быть наиболее полезно для исследования сверхпроводников и других систем с хрупким порядком, где слишком сильный свет может разрушить порядок».
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. Методика 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] В исходном тексте дана ссылка на источник, но в переводе она не используется, поскольку не предусмотрена возможность перехода по ссылке.