Зеркальные межзонные андреевские отражения на ван дер Ваальсовских контактах между графеном и селенидом ниобия

В февральском номере авторитетнейшего научного журнала Nature Physics вышла статья нашего ведущего ученого Константина Борисовича Ефетова ^[1]. Онлайн версия статьи Specular interband Andreev reflections at van der Waals interfaces between graphene and NbSe2 ^[2]
В данной статье отражены результаты изучения свойств контактов между сверхпроводниками и графеном, проведенный эксперимент доказал возможность изготовления высококачественных контактов между графеном и сверхпроводниками, что в свою очередь приблизит исследователей к созданию новых электронных приборов и, возможно, квантового компьютера. Конечно, эта цель в большой перспективе, но исследователям уже удалось наблюдать интересный фундаментальный эффект – зеркальное андреевское отражение.

Отражение электронов от границы между нормальным металлом и сверхпроводником называется «андреевским» в честь выдающегося советского физика Александра Андреева, предсказавшего такое поведение электрона между обычным металлом и сверхпроводником.

Примечательно то, что сам эксперимент был проведен Дмитрием Ефетовым, сыном Константина Борисовича.

Константин Борисович уже писал для нашего блога экспертное мнение по высокотемпературной сверхпроводимости ^[3], где в достаточно популярном формате был описан данный эффект, эта публикация вызвала активную дискуссию и одобрение со стороны сообщества. И в этот раз мы также попросили Константина Ефетова написать для нас пресс-релиз по опубликованной статье.

Константин Борисович Ефетов ^[1] является Научным руководителем проекта «Коллективные явления в квантовой материи» ^[4] НИТУ «МИСиС» в рамках гранта для поддержки научных исследований программы ТОП 5-100. К.Б. Ефетов ^[5] – выдающийся рецензент «Американского Физического Общества”, Директор Института теоретической физики III ^[6] Рурского университета Бохума в Германии, почетный член Американского физического общества, ведущий исследователь трех проектов, финансируемых Немецким министерством научных исследований, автор более 170 публикаций, обладатель французской премии Блеза Паскаля учреждённой французским правительством и Исследовательской Премии Landau-Weizman, учреждённой Институтом Вейцмана в Израиле. Константин Ефетов — “выдающийся рецензент американского Физического Общества”. Эта Премия даётся за заметный вклад в рецензировании статей в таких журналах как Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics и других.

Интернациональная группа исследователей с участием ученого, работающего рамках гранта в НИТУ «МИСиС», опубликовала важную работу по изучению свойств контактов между сверхпроводниками и графеном. Интерес к созданию и изучению таких наноструктур обусловлен поиском новых возможностей для электроники, возникающих при использовании квантовых свойств материи, а также попытками создания квантового компьютера. Важно отметить, что эффект, впервые наблюдаемый в работе, имеет глубокую фундаментальную природу и расширяет понимание наиболее интересных эффектов «нанофизики». Статья об этой работе опубликована в последнем номере Nature Physics.
Электроны, налетающие из нормального металла на сверхпроводник, отражаются точно назад в виде дырок (отсутствующий электрон обычно описывается в виде квазичастицы-дырки). Это замечательное предсказание было впервые сделано выдающимся российским физиком А.Ф. Андреевым в 1964 г.

Константин Борисович Ефетов Научный руководитель проекта «Коллективные явления в квантовой материи» НИТУ «МИСиС»

Наблюдение этого эффекта стало возможным с развитием нанотехнологий и привлекло огромное внимание как экспериментаторов, так и теоретиков, так как сверхпроводящие структуры находят применение в электронных приборах. В настоящее время создание массивов сверхпроводящих островков является основным направлением в построении квантового компьютера.
Новые возможности возникли с появлением графена-двухмерного материала, состоящего из атомов углерода. За его создание А. Гейм и К. Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Благодаря необычайным свойствам графен завоевал в последние годы огромную популярность, и рассматривается как один из наиболее многообещающих материалов для полупроводниковой электроники.

А что если использовать графен вместо обычных металлов в контактах с сверхпроводниками? Как будут отражаться электроны, налетающие из графена на поверхность сверхпроводника?

В 2007 году голландский ученый К. Беенаккер заметил в своей теоретической работе, что андреевское отражение может в этом случае значительно изменить свои свойства, так что дырки будут отражаться не назад, а зеркально так, как отражается свет в зеркале. Этот эффект возникает из-за двухзонного электронного спектра графена. Эти две зоны соприкасаются в определенных точках, и если энергия электронов достаточно близка к этим точкам, возможна ситуация, когда падающий электрон находится в верхней зоне, а отраженная дырка — в нижней. Именно это и должно было бы привести к зеркальному отражению.
Хотя контакты между графеном и сверхпроводниками удалось сфабриковать уже несколько лет назад, наблюдение зеркального андреевского отражения оказалось непростой задачей, поскольку требовались исключительно чистые графеновые системы. Создание высококачественных контактов между графеном и сверхпроводящим селенидом ниобия и сверхчистых графеновых образцов и позволило в конечном итоге наблюсти зеркальное андреевское отражение.

Эксперимент проводился главным образом в Колумбийском Университете в Нью-Йорке с поддержкой из Принстонского Университета и Национального Института Материаловедения в Японии. Экспериментальные данные сравнивались с результатами теоретического расчета, проведенного Константином Ефетовым (руководитель проекта в рамках программы Топ-100) во время его работы в НИТУ «МИСиС». Хорошее согласие теории и эксперимента позволило прийти к заключению, что наблюдается именно зеркальное андреевское отражение.

Результаты работы были доложены одним из авторов работы Дмитрием Ефетовым (Массачусетский Технологический Институт) на конференции «Сверхпроводимость и Магнетизм», проведенной в НИТУ «МИСиС» в сентябре 2015 года в рамках программы Топ 5-100.

Главной целью проведенного эксперимента было наблюдение фундаментального эффекта. Но, как это часто бывает, развитие технологий, необходимых для проведения исследования, прокладывает дорогу к созданию новых приборов. В настоящее время большие надежды для построения кубитов (базовых элементов в квантовом компьютере) возлагаются на «трансмоны»-Джозефсоновские контакты, соединенные параллельно с конденсаторами. Джозефсоновские контакты — это сверхпроводники, соединенные между собой диэлектриком или нормальным металлом. В качестве соединяющего материала при построении кубитов берутся, например, полупроводниковые проволоки, обеспечивающие хорошие контакты со сверхпроводниками. Возможность изготовления высококачественных контактов между графеном и сверхпроводником, достигнутая в работе, делает возможным изготовление трансмонов на основе сверхпроводников, соединенным графеном.

Автор: Наука НИТУ «МИСиС»

Источник ^[7]