Низькотемпературна Лазерна Скануюча Мікроскопія
Метод низькотемпературної (НТ) лазерної скануючої мікроскопії (ЛСМ) є потужним науковим і прикладним інструментом, застосовуваним для неконтактного 2D дослідження різних властивостей тонкоплівкових мікрооб'єктів і складних мікроелектронних схем, включаючи елементи надпровідних квантових комп'ютерів і метаматеріалів. Одним з важливих властивостей розробленої нами НТЛСМ техніки є те, що вона має мікронне (зазвичай 0,3 ÷ 1 мкм) просторове розрізнення по всій площі спостереження, розміри якої можуть сягати сотень мм2. При цьому самі об'єкти спостереження досліджуються безпосередньо в їх робочих умовах при Т < Tc. Розроблені нами режими контрасту ЛСМ зображень дозволяють проводити одночасну візуалізацію мікроструктури, електродинаміки (рівноважної і неврівноваженої), топології дефектів, ВЧ (лінійних і нелінійних), надпровідних і ін. просторово-неоднорідних властивостей досліджуваних мікрооб'єктів (експериментальних зразків). Крім того, методи ЛСМ застосовуються для з'ясування кореляції між топологією електронного, теплового та електромагнітного транспорту в структурних елементах складних надпровідних мікрохвильових пристроїв, оптимальними режимами їх роботи, а також причинами можливих локальних відмов. Такий підхід важко реалізувати іншими відомими методами діагностики. [1]
Безпосередньо методом НТЛСМ експериментально виявлені та вивчені ефекти просторової анізотропної модуляції електродинамічного відгуку кільцевих надпровідних резонаторів, які виготовлені з плівок YBa2Cu3O7−δ у вигляді спіралей Архімеда. Також в цих структурах виявлені раніше невідомі і теоретично не передбачені факти (і) аномально високої ~ T 4 температурної залежності НТЛСМ відгуку і його (іі) знаковою інверсії нижче деякої температури перетину (кросоверу) Тc ~ 4-5K , вище якої спостерігається ~ T 2 поведінка відгуку. Для опису перерахованих вище ефектів знайдено пояснення в рамках моделей анізотропного відгуку надпровідної d-хвильової щілини YBa2Cu3O7−δ, що викликаний наявністю в ній особливих вузлових (нодальних) напрямків, а також із залученням нових теоретичних уявлень про електродинаміку андріївських основних збуджень на міжфазових інтерфейсах надпровідної щілини. [2]
За допомогою методів ЛСМ було виявлено фактори модифікації електромагнітного НВЧ індукованого відгуку в середовищі індивідуальних магнітних елементів метаатому, розташованому в структурі глибоко субхвильового надпровідного метаматеріалу. Порівняно експериментальні ЛСМ результати з результатами чисельного моделювання. За результатом досліджень доказано, що просторова модуляція надтекучої компоненти НВЧ струму приводить до прецизійного та надчутливого тюнінгу частотної залежності класичних характеристик електромагнітної прозорості мета-молекул за типом гібридного метаматеріалу за типом надпровідник/метал. Продемонстровано, що різке перемикання відгуку у вікні електромагнітної індукованої прозорості у функції модуляції щільності надтекучої компоненти НВЧ струму і температури нижче критичної приводить до нелінійного спектрального зсуву частоти магнітних дипольних резонансів і може бути використано для розробки нелінійних метаматеріальних перемикачів за типом варакторів та інших зосереджених НВЧ елементів. [3] [4]
Було досліджено мікроскопічну локальну природу нелінійних електродинамічних ефектів електромагнітного відгуку в штучних метамолекулах, виготовлених на базі плівок жорстких надпровідників 2-го роду Nb у вигляді надпровідних резонаторів магнітної активної спіралі Архімеда. Виявлено ефекти суттєвої деградації їх добротності та формування локальних джерел дисипативних втрат в умовах надкритичного руйнування надпровідності полем електромагнітного випромінювання, а також щільності концентрованих лазерних пучків. Показано, що домінантні ефекти сильної нелінійної поведінки та метастабільних перескоків в резонансних характеристиках цих метаматеріалів пов’язані з локальними ефектами переходу надпровідника в нормальний стан при підвищенні потужності НВЧ збудження. За допомогою ЛСМ прямо було продемонстровано, що цей феномен безпосередньо пов'язаний з просторовою динамікою локалізованих нормальних доменів (так званих «гарячих» плям = «hot-spot») в зонах надпровідного матеріалу з надкритичною щільністю НВЧ струму, що стає вищою за щільність струму розпарювання. [5]
Було проведено пряму візуалізацію просторово розподілу локалізованих НВЧ збуджень в масиві сильно пов’язаних 27х27 ВЧ НКВІДів, що формували магнітну метаповерхню для проникнення електромагнітної хвилі. Отримані ЛСМ зображення просторового розподілу НВЧ струмів підтвердили високу ступінь когеренції відгуку всіх елементів двомірної структури 729 ВЧ-НКВІДів з урахуванням їх анізотропного магнітного зв’язку з сусідніми осередками масиву. Було також виявлено ефект формування окремих кластерів в середовищі з просторово стабільним дисипативним станом, що може бути пов’язано з неоднорідним проникненням магнітного потоку в напрямку ортогональної дії однорідного зовнішнього магнітного поля. [6]
Цю роботу зроблено у співробітництві з проф. Олексієм Устиновим з Інституту технології Карлсруе, Німеччина (Prof. Alexey Ustinov of the Karlsruhe Institute of Technology , Germany ) та проф. Стівеном Анлаге з Університету Меріленд, США (Prof. Steven Anlage of University of Maryland , USA ).
У наших співробітників в Карлсруе, Німеччина є власний веб-сайт "web site", на якому описано роботу, що виконана там зі скануючим лазерним мікроскопом. У наших співробітників у Коледж-Парк, Меріленд, США також є веб-сайт "web site", на якому описано роботу, що виконана там зі скануючим лазерним мікроскопом.