Физики связали потерю квантовой согласованности электронов с магнитными дефектами
Магнитные дефекты у поверхности тонких плёнок нитрида титана могут нарушать квантовую согласованность электронов. Исследование поможет понять, как улучшить материал для сверхпроводящих квантовых устройств и чувствительных детекторов света.
МОСКВА, 18 сентября. /Новости науки/. Российские учёные связали потерю квантовой согласованности электронов в нитриде титана с магнитными дефектами. Об этом сообщили в НИТУ МИСИС.
Тонкие плёнки нитрида титана используют при создании элементов квантовых схем. Для таких устройств важно сохранять фазовую когерентность — согласованность волновых свойств частиц. Чтобы понять, что её нарушает, исследователи проверили, насколько наблюдаемый эффект объясняется взаимодействиями электронов друг с другом и с колебаниями кристаллической решётки.
«Эксперименты показали, что электрон-электронное взаимодействие объясняет около 5% наблюдаемого эффекта, а вклад электрон-фононного рассеяния составляет менее 10%. При этом скорость декогеренции практически не зависит от температуры, что согласуется с механизмом магнитного рассеяния», — рассказал научный сотрудник лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Андрей Ломакин.
Физики изучили плёнки толщиной от 4 до 20 нанометров. Они измеряли, как меняется электрическое сопротивление образцов в магнитном поле, и по этим данным определяли время сохранения фазовой когерентности электронов. В самой тонкой плёнке оно составляло около двух пикосекунд — двух триллионных долей секунды, в более толстых — от 10 до 30 пикосекунд. Измерения проводили выше температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние.
Наиболее вероятным объяснением учёные считают магнитный беспорядок — хаотичное распределение локальных магнитных моментов. Такие участки можно представить как крошечные магниты, взаимодействие с которыми нарушает волновую согласованность электронов. По оценке авторов, основная часть магнитных дефектов сосредоточена вблизи поверхности, поэтому их влияние особенно заметно в самых тонких плёнках.
Дополнительный опыт поддержал эту гипотезу: после нанесения на одну из плёнок слоя хрома толщиной один нанометр потеря фазовой когерентности ускорилась. Вместе с тем авторы подчёркивают, что использованная модель пока не объясняет все результаты и нуждается в уточнении. Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters,
Один из возможных способов уменьшить влияние дефектов — защитить поверхность плёнок от окисления и других изменений, способных вызвать магнитный беспорядок.
«Полученные данные показывают, насколько важным может быть контроль поверхности ультратонкой сверхпроводящей плёнки. Даже небольшое количество магнитных дефектов способно влиять на электронные процессы в тонком слое», — отметил главный научный сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций НИТУ МИСИС Григорий Гольцман.
Результаты планируют использовать и при совершенствовании сверхпроводящих детекторов, способных регистрировать отдельные фотоны. По словам заведующего лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Вадима Ковалюка, исследователи совместно с компанией «Сконтел» работают над расширением спектрального диапазона таких устройств и повышением их эффективности в ближней и средней инфракрасной области.
В исследовании участвовали специалисты НИТУ МИСИС, МПГУ, НИУ ВШЭ, НИУ МЭИ и Сколтеха. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ. Экспериментальные образцы подготовили в рамках проекта «Квантовый интернет» программы «Приоритет-2030».
Тонкие плёнки нитрида титана используют при создании элементов квантовых схем. Для таких устройств важно сохранять фазовую когерентность — согласованность волновых свойств частиц. Чтобы понять, что её нарушает, исследователи проверили, насколько наблюдаемый эффект объясняется взаимодействиями электронов друг с другом и с колебаниями кристаллической решётки.
«Эксперименты показали, что электрон-электронное взаимодействие объясняет около 5% наблюдаемого эффекта, а вклад электрон-фононного рассеяния составляет менее 10%. При этом скорость декогеренции практически не зависит от температуры, что согласуется с механизмом магнитного рассеяния», — рассказал научный сотрудник лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Андрей Ломакин.
Физики изучили плёнки толщиной от 4 до 20 нанометров. Они измеряли, как меняется электрическое сопротивление образцов в магнитном поле, и по этим данным определяли время сохранения фазовой когерентности электронов. В самой тонкой плёнке оно составляло около двух пикосекунд — двух триллионных долей секунды, в более толстых — от 10 до 30 пикосекунд. Измерения проводили выше температуры перехода материала в сверхпроводящее состояние.
Наиболее вероятным объяснением учёные считают магнитный беспорядок — хаотичное распределение локальных магнитных моментов. Такие участки можно представить как крошечные магниты, взаимодействие с которыми нарушает волновую согласованность электронов. По оценке авторов, основная часть магнитных дефектов сосредоточена вблизи поверхности, поэтому их влияние особенно заметно в самых тонких плёнках.
Дополнительный опыт поддержал эту гипотезу: после нанесения на одну из плёнок слоя хрома толщиной один нанометр потеря фазовой когерентности ускорилась. Вместе с тем авторы подчёркивают, что использованная модель пока не объясняет все результаты и нуждается в уточнении. Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters,
Один из возможных способов уменьшить влияние дефектов — защитить поверхность плёнок от окисления и других изменений, способных вызвать магнитный беспорядок.
«Полученные данные показывают, насколько важным может быть контроль поверхности ультратонкой сверхпроводящей плёнки. Даже небольшое количество магнитных дефектов способно влиять на электронные процессы в тонком слое», — отметил главный научный сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций НИТУ МИСИС Григорий Гольцман.
Результаты планируют использовать и при совершенствовании сверхпроводящих детекторов, способных регистрировать отдельные фотоны. По словам заведующего лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС Вадима Ковалюка, исследователи совместно с компанией «Сконтел» работают над расширением спектрального диапазона таких устройств и повышением их эффективности в ближней и средней инфракрасной области.
В исследовании участвовали специалисты НИТУ МИСИС, МПГУ, НИУ ВШЭ, НИУ МЭИ и Сколтеха. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ. Экспериментальные образцы подготовили в рамках проекта «Квантовый интернет» программы «Приоритет-2030».
