Ученые Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ предложили новый алгоритм измерения ток-фазового соотношения джозефсоновских контактов, которые являются аналогами вольт-амперной характеристики для сверхпроводников. Это позволило правильно интерпретировать экспериментальные результаты, подбирать оптимальные материалы и параметры для точного измерения.
Несоответствие обнаружилось во время изучения асимметричного СКВИДа. Он представляет собой сверхпроводящее кольцо с джозефсоновскими контактами, аналогами нелинейных элементов электрической цепи, имеющими большую асимметрию критических токов. При приложенном магнитном поле и постоянном токе через СКВИД куперовские пары (носители заряда в сверхпроводниках) приобретают разную фазу волновой функции в каждом из контактов и интерферируют между собой, что отражается на критическом токе всей системы.
СКВИД может работать в разных режимах: при ассиметричном один из переходов имеет высокое известное значение критического тока, а при втором режиме – низкое значение тока. Джозефсоновский контакт с большим критическим током называется референсным. Фаза на этом контакте почти не меняется от поля, из-за чего работа всего девайса определяется вторым изучаемым контактом. Однако в ряде исследований полученная зависимость критического тока от магнитного поля отличалась от теоретически предсказанной для второго контакта. Ученые списывали несоответствие на шум в измерительной системе, но физики из МФТИ более детально изучили проблему.
По словам студента Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий Яна Бабича, несоответствие было обнаружено при сравнении представленных результатов с пониманием систем. Ученым пришлось разработать новую теоретическую модель, чтобы локализовать и объяснить проблему. Далее стояла задача экспериментально доказать предположения.
Для этого ученые из центра создали СКВИД на основе сверхпроводящего металла ниобия. Проведя серию измерений, исследователи обнаружили, что зависимость критического тока от внешнего магнитного поля дает неправильное ток-фазовое соотношение изучаемого контакта, если использовать общепринятую интерпретацию данных. Ученые исправили ошибку в применяемом методе и экспериментально и теоретически обосновали новый способ измерения ток-фазового соотношения.
Критический ток части СКВИДА с изолирующий прослойкой был в несколько десятков раз меньше, чем у половины с ниобиевым наномостиком. Исследователи изменяли магнитное поле внутри СКВИДа и наблюдали периодическое изменение критического тока. Так как асимметрия токов двух половин существенна, ожидалось, что форма сигнала будет полностью определяться синусоидальной формой критического тока на контакте с изолятором.
Также исследователи обобщили условия точного измерения магнитного поля, исходя из сигналов на эталонном и изучаемом контакте. Они отметили, что при определенных условиях нельзя восстановить весь изучаемый сигнал, потому что он будет перекрываться эталонным. Кроме того были выведены новые условия применимости этого режима измерений – должна быть большая разница не между критическими токами, а между их производными.
Эти открытия помогут проводить корректные измерения при помощи джозефсоновских переходов, выбирать эталонные материалы для контактов и грамотно интерпретировать экспериментальные данные.
Директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий доктор физико-математических наук Василий Столяров подчеркнул, что во многих работах измерения ток-фазовых соотношений были интерпретированы неправильно, что повлекло ошибочные выводы о физических явлениях в этих системах. Предложенная учеными МФТИ методика измерения значительно поможет пониманию поведения СКВИДов и ляжет в основу последующих работ по изучению джозефсоновских контактов со сложным ток-фазовым соотношением.
Исследование было поддержано грантом РНФ, а сама методологическая работа была опубликована в научном журнале Nano Letters (Limitations of the Current-Phase Relation Measurements by an Asymmetric dc-SQUID).
Источник: пресс-служба МФТИ
распечатать статью
