Энергия, которую передаёт сверхпроводнику одиночный фотон, может регистрировать обнаруживаемый сигнал. Именно 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].
Этот метод также позволяет обнаруживать поляритоны — гибридные возбуждения света и материи, 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 работает метод
Когда сверхпроводник, находящийся 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 открыло новые возможности для применения.
Мэнкунь 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 прочность и когерентность сверхпроводимости, поэтому возможность визуализации этих свойств локально принесла бы ценную информацию», — говорит член команды из Стони-Брук Ран Цзин.
Существующие методы микроскопии
Современные методы микроскопии используют электромагнитные волны, рассеянные от крошечного металлического зонда в форме иглы, или «наконечника», чтобы вызвать локальные электромагнитные отклики в образце. Исследователи могут использовать эти отклики для построения 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
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 варьируется от места к месту в результате дефектов кристалла, геометрии образца и всего, что может усилить или ослабить сверхпроводимость. В экспериментах исследователи повторяют сканирование при различных температурах, отслеживая сигнал, который указывает на потерю сверхпроводимости. Результаты могут предоставить пространственную карту таких свойств, как удельное сопротивление или локальная квантовая когерентность.
Команда продемонстрировала метод на образце из 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 Цзин, метод может быть полезен и в других отношениях. «Исследуемым материалом может быть сам сверхпроводник или другой материал, нанесённый поверх наномоста или в непосредственной близости от него».
Лю и его коллеги также продемонстрировали ещё одно применение своего метода: 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, их трудно обнаружить, потому что они маленькие и ограничены поверхностью. Исследователи направили лазерное излучение средней инфракрасной области 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 потоке тока 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 Наньянского технологического университета в Сингапуре. «Это может быть наиболее полезным 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.
Метод также может быть полезен для характеристики сверхпроводящих устройств, используемых в кубитах, где микроскопические поверхностные дефекты или области окисления могут изменять сверхпроводящие свойства. Возможность обнаружения поляритонов также поможет в разработке квантовых устройств, основанных на этих частицах.
Марк Бьюкенен, независимый научный писатель, который делит своё время между Абергавенни, Великобритания, и Нотр-Дам-де-Курсон, Франция.
[¹ — ссылка на источник]