Ученые из МФТИ, Университета Роял-Холлоуэй и Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН изготовили прибор, чувствительность которого почти в тысячу раз превышает чувствительность СКВИДов — устройств, которые обычно используют для точных измерений очень маленьких магнитных полей. Cтатья опубликована в Nano Letters.

Для измерения очень слабых магнитных полей — например, сигналов, которые вырабатывает человеческий мозг, — физики используют сверхпроводящие квантовые интерферометры, сокращенно СКВИДы (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID). В основе этих интерферометров лежит эффект Джозефсона. Заключается этот эффект в том, что если соединить два сверхпроводника тонким слоем диэлектрика, куперовские пары будут туннелировать через него, и в результате через соединение потечет сверхпроводящий ток (кстати, внешнее напряжение для этого прикладывать не обязательно). Такое соединение называют джозефсоновским контактом, а ток, текущий через него — джозефсоновским током.

СКВИД состоит из сверхпроводящего кольца, разделенного двумя джозефсоновскими контактами. Если пропускать через это кольцо электрический ток, на входе в него электроны (которые ведут себя как волны) будет разделяться и интерферировать сами с собой. При отсутствии внешнего поля разница фаз волн, прошедших через различные контакты, будет нулевой, и мы практически ничего не заметим. Однако когда поток магнитного поля через кольцо не равен нулю, в нем наводится дополнительный сверхпроводящий ток, который в одном контакте вычитается из постоянного тока, а в другом — складывается с ним. Возникающее изменение фазы волновой функции частиц вдоль кольца можно описать с помощью квантового числа n.

Схема СКВИДа. Wikimedia Commons

В результате суммарный ток изменяется, и это изменение можно зарегистрировать измерительными приборами (обычно измеряют напряжение на СКВИДе). Из-за того, что сила тока в интерферометре меняется скачкообразно, можно регистрировать даже отдельные кванты магнитного потока, величина которых примерно равна 2×10⁻¹⁵ вебер. В типичном СКВИДе увеличение магнитного потока на величину одного кванта приводит к изменению напряжения около двух микровольт.

В этой статье группа ученых под руководством Владимира Гуртового изготовила и изучила устройство, чувствительность которого превышает чувствительность СКВИДов более чем в тысячу раз — сверхпроводящий дифференциальный интерферометр с двойным контуром (Superconducting Differential Double Contour Interferometer, DDCI). В отличие от СКВИДа, этот интерферометр имеет не одно, а два сверхпроводящих кольца, соединенных джозефсоновскими контактами. Из-за этого устройство чувствует изменение квантового числа n в каждом из колец.

Схема сверхпроводящего дифференциального интерферометра с двойным контуром. V. Gurtovoi et. al. / Nano Letters

Фотография устройства, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа. V. Gurtovoi et. al. / Nano Letters

Чтобы изготовить такой прибор, исследователи использовали технику теневого испарения (shadow evaporation technique). Для этого они испарили часть алюминиевой подложки, чтобы получить два квадратных немного смещенных друг относительно друга контура толщиной 30 и 35 нанометров. В промежутке между испарениями ученые окислили алюминий на месте предполагаемых стыков колец, чтобы получить джозефсоновские контакты. Вообще говоря, физики сделали несколько интерферометров со стороной колец от 4 до 20 микрометров, но свойства их принципиально не отличались.

При наложении внешнего магнитного поля на устройство ученые действительно регистрировали изменение величины сверхпроводящего тока, протекающего через него (точнее, напряжения). Из-за того, что энергетический спектр сверхпроводящих колец является сильно дискретным, чувствительность интерферометра оказалась довольно высокой — увеличение магнитного потока на величину всего одного кванта вызывало изменение напряжения около 13 милливольт. Это почти в тысячу раз превышает чувствительность типичных СКВИДов.

Колебания напряжения на приборе в зависимости от величины магнитного поля. V. Gurtovoi et. al. / Nano Letters

Физики отмечают, что изготовленное ими устройство можно использовать не только для измерения магнитного поля, но и просто для детектирования квантовых состояний сверхпроводящих колец.

В прошлом месяце мы писали о том, как ученые из МФТИ исследовали эффект четырехволнового смешивания света на искусственном атоме, также созданном на основе джозефсоновского контакта. Интересно, что помимо классических эффектов в системе также наблюдался эффект «квантового смешивания», при котором спектр переизлученных фотонов становился несимметричным.

Автор: Дмитрий Трунин