ПОДПИСИ: Джозеф И. Хармон

Ученые стремятся разработать новые материалы для квантовых технологий в вычислительной технике и сенсорике для сверхточных измерений. Для того, чтобы эти технологии будущего перешли из лабораторных условий в реальные приложения, необходимо гораздо более глубокое понимание поведения вблизи поверхностей, особенно на границах между материалами.

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) представили новую технику, которая может помочь продвинуть развитие квантовых технологий. Их инновация, поверхностно-чувствительная спинтронная терагерцовая спектроскопия (SSTS), дает беспрецедентный взгляд на то, как квантовые материалы ведут себя на границах раздела.

«Наша чувствительная к интерфейсу методика может быть применена к широкому спектру материалов для исследования неуловимого квантового поведения, включая магнетизм и сверхпроводимость», — Майкл Норман, заслуженный научный сотрудник Аргоннского университета и директор Аргоннского квантового института.

«Этот метод позволяет нам изучать поверхностные фононы — коллективные колебания атомов на поверхности материала или на границе раздела между материалами», — сказал Чжаодун Чу, научный сотрудник из Аргоннского университета и первый автор исследования.«Наши результаты показывают поразительные различия между поверхностными фононами и фононами в сыпучем материале, открывая новые возможности для исследований и приложений».

В таких материалах, как кристаллы, атомы образуют повторяющиеся узоры, называемые решетками, которые могут вибрировать волнами, известными как фононы. В то время как многое известно о фононах в объемном материале, мало что известно о поверхностных фононах — тех, которые встречаются в пределах нанометров от границы раздела. Исследование команды показывает, что поверхностные фононы ведут себя по-разному, обеспечивая уникальное квантовое поведение, такое как межфазная сверхпроводимость.

Сверхпроводимость, явление потока электронов без сопротивления, находит применение в таких технологиях, как аппараты МРТ и ускорители частиц. Межфазная сверхпроводимость — тип, который появляется только на границе между двумя материалами — является перспективной для новых квантовых технологий.

«Идея этого открытия началась несколько лет назад, когда было обнаружено, что границы между двумя кристаллическими материалами могут проявлять сверхпроводящее поведение, которое ни один из них не проявляет сам по себе», — сказал Ананд Бхаттачарья, физик из Аргоннского университета.

«Только когда два материала находятся вместе, магия сверхпроводимости происходит на границе, которая отличается от объема», — добавил физик из Аргоннского университета Хайдан Вэнь.

Полагая, что определенный тип вибрации в кристалле, называемый фононом TO1, запускает эту межфазную сверхпроводимость, команда решила найти прямые доказательства его роли.

Есть две основные проблемы, объяснил Вэнь. Во-первых, граница раздела утоплена в образце и имеет толщину всего в несколько нанометров, что затрудняет ее изучение с помощью обычных методов. Во-вторых, команде нужно было работать с терагерцовым излучением. Это происходит в диапазоне частот, в тысячу раз превышающем телефонные сети 5G. В этом терагерцовом диапазоне происходит много важных квантовых эффектов, но захватить их с высоким разрешением сложно.

Исследователи использовали свой метод SSTS на образцах, полученных путем нанесения тонкой магнитной пленки на кристалл оксида. При этом методе сверхбыстрые лазерные импульсы проходят через кристалл оксида и ударяются о тонкий магнитный слой. Взаимодействие между лазерным светом и веществом затем создает терагерцовые колебания на границе раздела оксидов.

Используя эту технику, команда обнаружила фонон TO1. Они также показали, что поведение фонона в пределах 5 нанометров от границы раздела отличается от объема. Поверхностные фононы похожи на волны в мелководной части озера — они ведут себя иначе, чем в более глубоких водах.

«Наша чувствительная к интерфейсу техника может быть применена к широкому спектру материалов для исследования неуловимого квантового поведения, включая магнетизм и сверхпроводимость», — сказал Майкл Норман, заслуженный научный сотрудник Аргоннского университета и директор Аргоннского квантового института.«Теперь у нас есть новое окно в квантовые материалы, которое может указать путь к новым квантовым устройствам для технологий будущего».

Бхаттачарья добавил: «Терагерцовый свет, взаимодействующий с материей, может не только исследовать квантовые материалы новыми способами, как в нашем исследовании, но и вызывать совершенно новые состояния материи. Это невероятно захватывающий путь для будущих расследований».

Это исследование было опубликовано в журнале Science Advances. В дополнение к упомянутым выше, авторами Аргоннского университета являются Цзюньи Янг, Янь Ли, Цзяньго Вэнь, Эшли Белински, Ци Чжан, Алекс Мартинсон, Стефан Хрушкевич и Диллон Фонг. Также свой вклад внесли Сяодун Сюй и Кайл Хвангбо из Вашингтонского университета.

Финансирование исследования поступило от Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США. Образцы были охарактеризованы с помощью терагерцовой эмиссионной спектроскопии в отделе материаловедения и электронной микроскопии в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США.

Об Аргоннском центре наноразмерных материалов

Центр наноразмерных материалов является одним из пяти наноразмерных научно-исследовательских центров Министерства энергетики США, ведущих национальных пользовательских объектов для междисциплинарных исследований в наномасштабе, поддерживаемых Управлением науки Министерства энергетики США. Вместе NSRC представляют собой набор взаимодополняющих объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, определения характеристик и моделирования наноразмерных материалов, а также представляют собой крупнейшую инфраструктурную инвестицию в рамках Национальной нанотехнологической инициативы. NSRC расположены в Аргоннской, Брукхейвенской, Лоуренс-Беркли, Оук-Ридж, Сандийской и Лос-Аламосской национальных лабораториях Министерства энергетики США. Для получения дополнительной информации о NSRC Министерства энергетики США, пожалуйста, посетите https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.

Аргоннская национальная лаборатория Поиск решений насущных национальных проблем в области науки и техники путем проведения передовых фундаментальных и прикладных исследований практически по всем научным дисциплинам. Аргоннский завод находится под управлением UChicago Argonne, LLC для Управления по науке Министерства энергетики США.

Управление по науке Министерства энергетики США является крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт https://energy.gov/science.