Ученые из МФТИ и ИРЭ имени В. А. Котельникова РАН определили условия получения сверхпроводящих пленок из нитрида ниобия титана с оптимальными свойствами: малой глубиной проникновения магнитного поля, высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние и высокой удельной проводимостью. Полученный результат поможет синтезировать высококачественные пленки для элементов устройств сверхпроводниковой электроники.
Статья опубликована в журнале IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. Основное преимущество сверхпроводниковых электронных устройств — в низком уровне «паразитных» собственных шумов. Малошумящие устройства можно использовать для изучения квантовых свойств частиц, обработки излучения от далеких объектов Вселенной или для исследования состава веществ. Популярные сверхпроводники — пленки из ниобия. Основным минусом таких пленок является тот факт, что их «максимальная» рабочая частота составляет 700 Гигагерц — она ограничена щелевой частотой ниобия.
Если электрический сигнал, проходящий по сверхпроводнику, обладает большей частотой, куперовские пары — связанные электроны, ответственные за свойство сверхпроводимости — разрываются, что приводит к существенному (на два-три порядка) увеличению сопротивления пленок. Для наблюдения за туманностями и звездами или для мониторинга состава атмосферы по колебательным и вращательным спектрам молекул часто нужно уметь работать на частотах выше одного ТГц, что почти в полтора раза больше, чем максимальная частота для ниобиевых пленок. Поэтому актуален поиск новых перспективных сверхпроводящих материалов и технологий их оптимального производства.
В Институте радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН методом магнетронного напыления исследователи изготовили пленки нитрида ниобия титана (NbTiN). Там же измерили их проводимость и критическую температуру при постоянном токе. Ученые МФТИ с помощью терагерцового спектрометра определили основные параметры этих пленок: температуру перехода в сверхпроводящее состояние, величину энергетической щели, глубину проникновения магнитного поля и проводимость.
Ранее японские коллеги проводили схожее исследование пленок нитрида ниобия и нитрида ниобия титана. Однако они работали с пленками существенно тоньше, чем необходимо для изготовления электродов сверхпроводниковых линий передачи сигнала в приемных устройствах ТГц-диапазона. Так как по мере увеличения толщины меняется структура пленок, то параметры образцов из одного материала, но с разными толщинами будут заметно отличаться. Важно отметить, что на практике толщина электродов выбирается больше, чем глубина проникновения магнитного поля; в противном случае потери в линии оказываются достаточно велики. Российские ученые изготовили и изучили сверхпроводящие пленки, максимально приближенные по всем параметрам к электродам сверхпроводниковых линий в реальных устройствах.
«Мы хотели определить оптимальные условия изготовления пленок, для этого меняли концентрацию азота в камере магнетрона. Эта концентрация определяет состав пленки и скорость ее роста, что отражается на свойствах. Мы нашли оптимальное значение, которое позволило, с одной стороны, получить пленку с достаточно небольшой глубиной проникновения магнитного поля, с другой стороны — достаточно высокую критическую температуру и проводимость», — говорит Федор Хан, научный сотрудник ИРЭ имени В. А. Котельникова.
Также исследователи применили различные модели для количественного описания свойств сверхпроводниковых пленок на терагерцовых частотах: стандартную модель Маттиса — Бардина, расширенную модель Циммермана (которая учитывает конечное время свободного пробега электронов, неизбежно присутствующих в сверхпроводниках при ненулевой температуре). Кроме того, ученые рассмотрели модель, учитывающую влияние магнитных примесей и структурных неоднородностей в пленках, из-за которых может происходить распад куперовских пар. Выяснилось, что уже модели Циммермана оказывается достаточно для неплохого количественного описания.
«Имеющееся в распоряжении лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ спектроскопическое оборудование позволяет проводить детальное исследование особенностей сверхпроводящего состояния в тонких сверхпроводящих пленках, а также характеризовать на количественном уровне их основные электродинамические параметры на терагерцовых частотах. Последнее особенно важно для разработки приборов и устройств сверхпроводящей электроники следующих поколений», — отмечает Елена Жукова, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ.
Благодаря полученным результатам другие научные группы смогут воспроизводить пленки с оптимальными параметрами. Это ускорит разработку устройств сверхпроводниковой электроники.