Сверхпроводящая цепь с эффектом близости Российский патент 2021 года по МПК H01L39/22 

Приборы и элементы схем, использующие сверхпроводящие цепи с эффектом близости, то есть с участками, в которых реализуется эффект возникновения сверхпроводимости при контакте несверхпроводящих материалов со сверхпроводниками, в настоящее время вызывают растущий интерес, в частности, для применения в качестве сверхпроводящих логических элементов вычислительной техники, а также в сверхпроводящей электронике в целом.

Предлагаемое устройство относится к сверхпроводящим цепям с эффектом близости, позволяющим управлять спектром связанных Андреевских состояний (САС).

Известно устройство, представляющее собой сверхпроводящую цепь с эффектом близости [Т. Dvir, М. Aprili, С. Н. L. Quay, Н. Steinberg. Zeeman Tunability of Andreev Bound States in van der Waals Tunnel Barr. Physical Review Letters 123, 217003 (2019)] - прототип, состоящее из тонкой (толщиной 2-50 нм) пластины гексагональной модификации диселенида ниобия 2H-NbSe₂ на которую нанесены несколько слоев диселенида вольфрама, в которых за счет дефектов созданы квантовые точки, а на WSe₂ нанесен золотой электрод, причем пластина NbSe₂ также имеет омический контакт для включения устройства в цепь. Это устройство позволяет управлять спектром связанных Андреевских состояний в магнитном поле за счет эффекта Зеемана. Управление спектром позволяет симметрично смещать пики, соответствующие САС, в распределениях дифференциального сопротивления dV/dI по напряжению смещения V вплоть до объединения САС при V=0. Основной недостаток устройства-прототипа - высокая сложность его изготовления, приводящая к проблемам с воспроизводимостью характеристик устройства. Диселенид ниобия имеет четыре основных кристаллографических модификации - три гексагональных, отличающихся количеством слоев, и одну тригональную с ромбоэдрической решеткой. При получении кристаллов и пленок 2H-NbSe₂ практически всегда образуются дефекты в виде прослоек других модификаций, что приводит к снижению критической температуры перехода NbSe₂ в сверхпроводящее состояние. Это, в свою очередь, изменяет характеристики структуры NbSe₂/WSe₂/Au. Нанесение практически двумерного слоя WSe₂ на NbSe₂ с созданием в WSe₂ квантовой точки является нетривиальной задачей, решение которой осуществимо в лабораторных условиях для получения отдельных образцов, но слишком сложно для воспроизводимого изготовления структур NbSe₂/WSe₂/Au.

Задача предлагаемого изобретения - создание простой в изготовлении сверхпроводящей цепи с эффектом близости.

Поставленная задача решается тем, что в сверхпроводящей цепи с эффектом близости, включающей металлические контакты, металлические контакты выполнены из ниобия и нанесены на монокристаллическую пластину силицида кобальта CoSi, ориентированную в кристаллографической плоскости (001).

Такое устройство является простым в изготовлении и его характеристики хорошо воспроизводятся при изготовлении серии одинаковых структур Nb/CoSi.

Предлагаемое устройство позволяет управлять спектром связанных Андреевских состояний в магнитном поле за счет эффекта Зеемана. Управление спектром позволяет симметрично смещать пики, соответствующие САС, в распределениях дифференциального сопротивления dV/dI по напряжению смещения V вплоть до объединения пиков САС при V=0.

На Фиг. 1 показана зависимость дифференциального сопротивления dV/dI от напряжения смещения V для структуры Nb/CoSi в параллельном магнитном поле. Кривая 1 соответствует величине индукции магнитного поля В=0 Тл, кривая 2-В=1 Тл, кривая 3-В=1,4 Тл и кривая 4-В=1,9 Тл. Стрелками показаны симметричные относительно V=0 пики САС. Из данных на графике хорошо видно, что с ростом величины индукции магнитного поля пики САС управляемо смещаются. При V=0 обеспечивается слияние пиков САС.

Эти результаты получены экспериментально: при исследовании транспортных свойств кристаллов кирального топологического полуметалла CoSi с контактами из сверхпроводящих металлов было обнаружено проявление эффекта близости, выражающегося в возникновении сверхпроводимости в поверхностном слое монокристаллического CoSi, ориентированного в плоскости (001). Применение ниобия в качестве сверхпроводящего металла позволило разработать устройство, позволяющее управлять спектром САС в магнитных полях.

На фиг. 2 показана фотография монокристалла CoSi, выращенного химическим транспортом паров. Красным маркером на поверхности кристалла отмечена плоскость (001), которая является и одной из плоскостей естественной огранки силицида кобальта, и плоскостью спайности в кристаллах CoSi.

Пример исполнения устройства и электрической схемы его подключения показан на Фиг. 3, где 1 - монокристаллическая пластина CoSi, ориентированная в кристаллографической плоскости (001); 2 - контакты из ниобия; 3 - источник электрического тока; 4 - прибор для измерения напряжения; 5 - фазочувствительный усилитель для измерения переменной компоненты модулированного сигнала при измерении зависимостей dV/dI от напряжения V, 6 - заземление.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. После подключения структуры CoSi/Nb в соответствии с Фиг. 3 устройство помещается в магнитное поле, вектор индукции которого направлен параллельно плоскости (001) в монокристаллической пластине CoSi. Управление спектром САС осуществляется путем изменения величины индукции магнитного поля в диапазоне 0-1,9 Тл, изменения регистрируются путем измерения зависимости dV/dI от напряжения смещения V. При величине индукции в 1,9 Тл происходит слияние пиков САС.

Устройство относится к сверхпроводящим цепям с эффектом близости, позволяющим управлять спектром связанных Андреевских состояний. Предлагается сверхпроводящая цепь с эффектом близости, включающая монокристаллическую пластину силицида кобальта CoSi, ориентированную в кристаллографической плоскости (001), на которую нанесены контакты из ниобия. Устройство позволяет управлять спектром связанных Андреевских состояний при приложении магнитного поля, вектор индукции которого параллелен плоскости (001) CoSi, а величина индукции изменяется в интервале 0-1,9 Тл. Технический результат - обеспечение возможности управления спектром САС в магнитных полях. 3 ил.

Сверхпроводящая цепь с эффектом близости, включающая металлические контакты, отличающаяся тем, что металлические контакты выполнены из ниобия и нанесены на монокристаллическую пластину силицида кобальта CoSi, ориентированную в кристаллографической плоскости (001).