Отдел сверхпроводящих и мезоскопических структур

Главное меню:

Исследования

А. П. Журавель (рук. группы), Ю. Д. Обозный, А. А. Лега

Низкотемпературная лазерная сканирующая микроскопия

Метод низкотемпературной (НТ) лазерной сканирующей микроскопии (ЛСМ) является мощным научным и прикладным инструментом, применяемым для неконтактного 2D исследования различных свойств тонкопленочных микрообъектов и сложных микроэлектронных схем, включая элементы сверхпроводящих квантовых компьютеров и мета-материалов. Одним из важных свойств разработанной нами НТЛСМ техники является то, он она обладает около микронным (обычно 0,3÷1 мкм) пространственным разрешением по всей площади наблюдения, размеры которой могут достигать сотен мм². При этом сами объекты наблюдения исследуются непосредственно в их рабочих условиях при Т_c. Разработанные нами режимы изображающего ЛСМ контраста позволяют проводить одновременную визуализацию микроструктурных, электронных транспортных (равновесных и неравновесных), ВЧ (линейных и нелинейных), топологических, дефектных, сверхпроводящих и пр. пространственно-неоднородных свойств исследуемых микрообъектов (экспериментальных образцов). Кроме того, методы ЛСМ применяются для выяснения корреляции между топологией электронного, теплового и электромагнитного транспорта в структурных элементах сложных сверхпроводящих микро-устройств, оптимальными режимами их работы, а также причинами возможных локальных отказов. Такой подход трудно реализовать другими известными методами диагностики.

Методом НТЛСМ было проведено прямое экспериментальное наблюдение, а также был исследован электродинамический эффект, вызывающий пространственную анизотропную модуляцию СВЧ отклика в кольцевом сверхпроводящем резонаторе. Сам резонатор изготовлен в форме спирали Архимеда из пленки YBa₂C₃O_7-_d. В поведении данной структуры обнаружены ранее неизвестные и теоретически не предсказанные факты. А именно: (i) аномально резкий характер ~ T⁴ температурной зависимости НТ ЛСМ отклика и (ii) его знаковая инверсия в области температур ниже некоторой температуры «кроссовера» Т_К ~ 4-5 K, за которой наблюдается ~ T² поведение отклика. Для объяснения выявленного феномена использовалась модель отклика, учитывающая анизотропную форму d -волновой сверхпроводящей щели материала YBa₂C₃O_7-_d, задаваемую наличием в ней особых узловых (нодальных) направлений. Также было развито новое теоретическое представление о пространственно-неоднородной электродинамике отклика с привлечением механизма Андреевских основных возбуждений на межфазовых интерфейсах этой необычной сверхпроводящей щели.

С помощью методов ЛСМ были выявлены факторы модификации электромагнитного, СВЧ индуцированного отклика в среде индивидуальных магнитных элементов мета-атома, внедренного в структуру глубоко суб-волнового сверхпроводящего мета-материала. Проведено сравнение экспериментальных ЛСМ результатов с результатами численного моделирования. ЛСМ исследованиями доказано, что пространственная модуляция сверхтекучей компоненты СВЧ тока приводит к прецизионному и сверхчувствительному тюнингу частотной зависимости классических характеристик электромагнитной прозрачности в мета-молекуле гибридного мета-материала, композит которого состоит их пленочных элементов сверхпроводника и нормального металла. Продемонстрировано, что резкое переключение отклика в окне электромагнитной индуцированной прозрачности в функции модуляции плотности сверхтекучей компоненты СВЧ тока и температуры ниже критической приводит к нелинейному спектральному сдвигу частоты магнитных дипольных резонансов, что может быть использовано при разработке нелинейных мете-материальных переключателей типа варактора и других сосредоточенных СВЧ элементов.

Была исследована локальная микроскопическая природа нелинейных электродинамических эффектов электромагнитного отклика в среде искусственных мета-молекул. Они изготовлены на базе пленок жестких сверхпроводников 2-го рода Nb в виде сверхпроводящих резонаторов магнитно-активной спирали Архимеда. Выявлены эффекты существенной деградации их добротности и формирования локальных источников диссипативных потерь в условиях сверхкритического разрушения сверхпроводимости полем электромагнитного излучения, а также плотности концентрированных лазерных пучков. Показано, что доминантные эффекты сильной нелинейной поведения и метастабильных перескоков в резонансных характеристиках этих мета-материалов связаны с локальными эффектами перехода сверхпроводника в нормальное состояние при повышении мощности СВЧ возбуждения. С помощью ЛСМ было прямо продемонстрировано, что этот феномен напрямую связан с пространственной динамикой локализованных нормальных доменов (так называемых «горячих» пятен = "hot-spot») в зонах сверхпроводящего материала со сверхкритической плотностью СВЧ тока, которая становится выше плотности тока распаривания.

Проведена прямая визуализация картины пространственного распределения локализованных СВЧ возбуждений в миссиве сильно связанных 27х27 ВЧ СКВИДов, формировавших магнитную мета-поверхность для проникающей электромагнитной волны. Полученные ЛСМ изображения пространственного распределения СВЧ токов подтвердили высокую степень когеренции отклика всех 729 ВЧ-СКВИДов в площади двухмерной структуры с учетом их анизотропной магнитной связи с соседними ячейками массива. Был также обнаружен эффект формирования отдельных кластеров в среде с пространственно стабильным диссипативным состоянием, что может быть связано с неоднородным проникновением магнитного потока в направлении ортогональном вектору однородного внешнего магнитного поля.

This work is done in collaboration with Prof. Alexey Ustinov of the Karlsruhe Institute of Technology, Germany, and Prof. Steven Anlage of University of Maryland, USA.

Our collaborators in Karlsruhe Germany have a "web site" describing work done with the scanning laser microscope there.

Our collaborators in College Park, Maryland, USA also have a "web site" describing work done with the scanning laser microscope there.