Энергия, которую передаёт сверхпроводнику одиночный фотон, может зарегистрировать 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 новый метод будет полезен в таких разнообразных областях, как квантовая информация и нанофотоника.
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 повысить их чувствительность к фотонам в широком диапазоне частот, что открыло возможности для многих новых приложений.
Менгкун 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 визуализировать эти свойства локально может дать ценную информацию», — говорит член команды из Стони-Брук Ран Цзин.
Существующие 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 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.
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 из ниобия в форме лук-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, техника 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 техники: обнаружение поляритонов, которые являются перспективными кандидатами для использования в квантовых технологиях. Поляритоны — это гибридные частицы, состоящие из света и 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 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 излучения», — 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 визуализировать более широкий класс 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. Возможность обнаружения поляритонов также поможет в разработке квантовых устройств, основанных на этих частицах.
Марк Бьюкенен,
научный писатель-фрилансер,
который делит своё время между Абергавенни, Великобритания, и Нотр-Дам-де-Курсон, Франция.
[1] — ссылка на источник.