Сверхпроводящий диод на оксидном интерфейсе: управление током с помощью АСМ

Исследователи из Дельфтского технического университета (Нидерланды) разработали новый тип сверхпроводящего диода, который позволяет точно управлять потоком электронов без сопротивления. Устройство основано на двумерных оксидных интерфейсных сверхпроводниках и может быть «отредактировано» с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Эта работа, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, открывает путь к созданию программируемых сверхпроводящих схем для квантовых вычислений и криогенной электроники.

Как работает сверхпроводящий диод на оксидных интерфейсах

Сверхпроводящие диоды — это устройства, которые пропускают сверхток в одном направлении и блокируют его в другом, подобно полупроводниковым диодам, но без потерь энергии. В отличие от обычных сверхпроводящих диодов, которые требуют внешнего магнитного поля для работы, новый диод использует встроенную асимметрию в материале. Ключевой элемент — интерфейс между двумя оксидами: алюминатом лантана (LaAlO3) и титанатом стронция (SrTiO3). На этом интерфейсе образуется двумерный электронный газ, который при низких температурах становится сверхпроводящим.

Исследователи обнаружили, что если создать наноразмерные каналы в этом интерфейсе с помощью АСМ-литографии, то в них возникает спонтанная асимметрия проводимости. При пропускании тока в одном направлении сверхпроводимость сохраняется, а в другом — разрушается. Эффект объясняется комбинацией спин-орбитального взаимодействия и неоднородности материала. Важно, что параметры диода можно регулировать, изменяя геометрию каналов: ширину, длину и конфигурацию.

Предыстория и контекст

Идея сверхпроводящего диода не нова — первые теоретические работы появились в 1970-х годах. Однако практическая реализация долгое время оставалась сложной. В 2020 году были созданы первые прототипы на основе графена и топологических изоляторов, но они требовали внешнего магнитного поля или работали только при очень низких температурах. Новый подход на основе оксидных интерфейсов предлагает несколько преимуществ: во-первых, он не требует магнитного поля; во-вторых, устройство можно перепрограммировать, «переписывая» каналы с помощью АСМ; в-третьих, материал совместим с существующей оксидной электроникой.

Этот прорыв стал возможен благодаря многолетним исследованиям свойств оксидных интерфейсов. Команда из Дельфта ранее изучала, как наноструктурирование влияет на сверхпроводимость в LaAlO3/SrTiO3. Они обнаружили, что при создании узких каналов (шириной менее 100 нм) возникают квантовые эффекты, которые можно использовать для управления током.

Чем отличается новый диод от предыдущих версий?

Главное отличие — возможность «редактирования» без физического изменения образца. В предыдущих работах для изменения свойств диода приходилось создавать новую структуру заново. Теперь же с помощью АСМ-литографии можно локально модифицировать проводящие каналы, изменяя их форму или добавляя дефекты. Это делает устройство программируемым: один и тот же образец может быть настроен на разные режимы работы. Кроме того, диод работает при температурах до 1 К, что выше, чем у многих других сверхпроводящих диодов (обычно ниже 0,5 К).

Технические подробности и характеристики

Устройство создается на подложке SrTiO3, на которую методом лазерной абляции наносится слой LaAlO3 толщиной в несколько нанометров. Интерфейс между ними обладает высокой подвижностью электронов и сверхпроводимостью при температуре около 200 мК. С помощью АСМ с проводящим наконечником исследователи «выжигают» изолирующие области, оставляя проводящие каналы шириной 50–200 нм. Длина каналов составляет от 500 нм до 2 мкм.

Ключевая характеристика — диодная эффективность, то есть разница в критическом токе для прямого и обратного направления. В лучших образцах она достигает 30%, что сравнимо с другими сверхпроводящими диодами. Однако преимущество в том, что эффективность можно настраивать, изменяя ширину канала: более узкие каналы дают больший эффект. Также обнаружено, что асимметрия зависит от температуры: при приближении к критической температуре эффект усиливается.

Кого затронет и как

Разработка в первую очередь интересна физикам, работающим в области сверхпроводимости и квантовых технологий. Программируемые сверхпроводящие диоды могут стать основой для логических элементов в криогенных компьютерах, где требуется минимальное энергопотребление. В перспективе такие устройства могут найти применение в квантовых процессорах для управления кубитами без нагрева.

Для индустрии микроэлектроники это шаг к созданию полностью сверхпроводящих схем, которые работают при температурах жидкого гелия. Однако до коммерческого использования далеко: требуется повышение рабочей температуры хотя бы до 4 К (температура жидкого гелия) и масштабирование технологии. Пока что каждое устройство изготавливается вручную с помощью АСМ, что непригодно для массового производства.

В России и СНГ исследованиями оксидных сверхпроводников занимаются в нескольких институтах, например в Институте физики твердого тела РАН. Возможно, данная работа стимулирует развитие аналогичных проектов.

Что будет дальше

Команда планирует улучшить диодную эффективность и повысить рабочую температуру. Один из путей — легирование интерфейса другими элементами для усиления спин-орбитального взаимодействия. Также они хотят продемонстрировать работу нескольких диодов в одной цепи, что покажет возможность создания более сложных схем. В ближайшие 2–3 года ожидается появление прототипов сверхпроводящих логических вентилей на основе этой технологии.

Параллельно ведутся исследования других материалов, например нитрида ниобия, которые могут работать при более высоких температурах. Однако оксидные интерфейсы остаются уникальными благодаря возможности перепрограммирования.

Итог

Новый сверхпроводящий диод на основе оксидного интерфейса LaAlO3/SrTiO3 демонстрирует управляемый поток электронов без сопротивления и может быть настроен с помощью атомно-силовой микроскопии. Это важный шаг к созданию программируемых сверхпроводящих схем для квантовых технологий. Хотя до практического применения еще далеко, работа открывает новые возможности для управления сверхпроводимостью на наноуровне.