Термализация и динамика высокоэнергетических квазичастиц в сверхпроводящем нанопроводе
В новом отчете в журнале Nature Physics Т. Жалабер и группа исследователей из Франции использовали сканирующий туннельный микроскоп для независимой настройки энергии и скорости инжекции квазичастиц с помощью напряжения смещения и туннельного тока. Квазичастицы высокой энергии зависели от инжектируемой мощности и скорости инжекции, чтобы обеспечить уменьшенный критический ток на нанопроволоке. Результаты выявили тепловой механизм, лежащий в основе снижения критического тока, чтобы дать представление о быстрой динамике генерируемой горячей точки.
Экспериментальная установка.
а, нанопроволока в центре мишени из линий (синие квадраты) с четырьмя микросвязями (по краям).
б, Схема сечения нанопроволоки. в — нанопроволока сканируется иглой СТМ при потенциале смещения V b и туннельном токе I t , при этом контролируется характеристика I проволока — V проволока.
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-023-01999-4
Энергетические квазичастицы обладают набором квантовых характеристик, которые действуют подобно частицам в сверхпроводящих наноструктурах, и они могут подвергаться релаксации за счет множества каскадных взаимодействий между электронами, фононами и куперовскими парами. Эти взаимодействия важны для работы таких устройств, как кубиты или детекторы фотонов, но их еще предстоит хорошо понять с помощью экспериментов, регулируемых квазичастицами. Как правило, такие эксперименты включали твердотельные туннельные переходы с фиксированным туннельным барьером.
В новом отчете в журнале Nature Physics Т. Жалабер и группа исследователей из Франции использовали сканирующий туннельный микроскоп для независимой настройки энергии и скорости инжекции квазичастиц с помощью напряжения смещения и туннельного тока. Квазичастицы высокой энергии зависели от инжектируемой мощности и скорости инжекции, чтобы обеспечить уменьшенный критический ток на нанопроволоке. Результаты выявили тепловой механизм, лежащий в основе снижения критического тока, чтобы дать представление о быстрой динамике генерируемой горячей точки.
Критический ток как функция напряжения смещения и инжектируемой мощности. Образец N03.
а, Критический ток в зависимости от напряжения смещения V b для различных туннельных токов I t при T = 250 мК. Штриховой линией показано значение критического тока I c = 96,3 мкА при отсутствии инжекции квазичастиц.
б — те же данные в зависимости от I t V b . На вставке показано увеличение данных в сером прямоугольнике.
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-023-01999-4
Производительность сверхпроводящих устройств
Сверхпроводящие устройства часто ограничены или регулируются динамикой квазичастиц, где избыточные квазичастицы не полезны для таких устройств, как сверхпроводящие микроохладители и сверхпроводящие кубиты. Однако знание точного механизма, лежащего в основе динамики квазичастиц, важно для оптимизации производительности устройства и обеспечения необходимых условий для работы детекторов фотонов. Несмотря на интенсивные исследовательские усилия, физикам еще предстоит понять процессы, которым угрожает опасность во время энергетической релаксации квазичастиц в сверхпроводниках с током.
В недавнем предложении физики-экспериментаторы разработали цельнометаллический полевой транзистор Джозефсона, который полагался на регулирование его критического тока после подачи напряжения на затвор. Это вызвало серьезные споры, поскольку предполагало эффект нагрева после введения высокоэнергетических квазичастиц. Предыдущие эксперименты также обычно использовали этот метод; однако это предотвратило распутывание между эффектами тока и напряжения, которое Джалаберт и его коллеги преодолели, используя сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для локальной инъекции квазичастиц в сверхпроводящий нанопровод и одновременного измерения его критического тока.
Сканирующая критическая токовая микроскопия.
а, форма нанопроволоки.
б — Критический ток (точки) в зависимости от положения иглы СТМ x вдоль нанопроволоки и усредненный вдоль y для различных условий туннелирования при T = 180 мК и критический ток (штриховые линии), полученный из численных решений уравнения (1 ) для Σ знак равно 6 × 109 Вт K −5 м −3 . Без тока инжекции I c = 18,5 мкА. Образец N06.
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-023-01999-4
Экспериментальная физика с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ)
Процесс обнаружения и установления контакта с отдельной наноструктурой с помощью сканирующего туннельного микроскопа является сложной задачей из-за внутренней несовместимости микроскопа с изоляцией наноструктуры. Физики и материаловеды ранее сосредоточились на объединении атомно-силовой микроскопии и СТМ, хотя оба метода технически утомительны. В этом исследовании Джалаберт и его команда использовали СТМ для обнаружения и измерения наноустройства и изучили шесть сверхпроводящих нанопроводов с разной номинальной общей толщиной ниобия/золота.
Они измерили критический ток после инжекции квазичастиц в середину нанопроволоки и отметили зависимость критического тока от инжектируемой мощности. В рамках термодинамики каждая квазичастица, введенная в установку, релаксирует свою энергию на фононы, которые, таким образом, разрушают сотни куперовских пар, создавая множество неравновесных квазичастиц, образующих так называемую горячую точку. Этот каскад преобразования с понижением частоты произошел за очень короткий промежуток времени порядка пикосекунд.
Влияние мощности, инжектируемой квазичастицами, на электронную температуру.
а — нормированный критический ток, измеренный без инжекции квазичастиц I c (T/Tc) I0c, где I0c — значение критического тока при T = 0 K как функция приведенной температуры.
б — приведенная температура электронов в зависимости от мощности квазичастиц, инжектируемых иглой СТМ. Для полноты картины в этой серии экспериментов мы варьировали и измеряли Tb с помощью нагревателя и термометра, приклеенных к держателю образца. Горизонтальные цветные линии слева показывают соответствующую приведенную температуру ванны t b = Tb/Tc. Сплошные линии соответствуют теоретическим предсказаниям уравнения (1) с Σ = 6 × 10 9 , 6 × 10 9 , 0,8 × 10 9 и 8 × 10 9 Вт·К –5 м –32 для образцов N03, N06, N08 и N07 соответственно.
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-023-01999-4
Динамика точки доступа
Используя сканирующую туннельную микроскопию, Джалаберт и его коллеги нанесли на карту ток как функцию положения наконечника для фиксированных условий туннелирования. По мере удаления наконечника от выводов или увеличения инжектируемой мощности критический ток еще больше уменьшался. Физики определили локальную электронную температуру по измеренному критическому току и отметили замечательное соответствие между одномерной тепловой моделью. Все экспериментальные данные подтверждают термическое снижение критического тока, вызванное горячими квазичастицами. Они показали, как избыток квазичастиц в горячей точке уменьшил плотность куперовских пар, способных переносить сверхтекучий ток, что согласуется с предыдущими исследованиями.
Динамика горячих точек основывалась на балансе между размножающимися квазичастицами в каскаде даун-конверсии и их уходом за счет диффузии. В описанных здесь моделях имело значение только растущее число неравновесных квазичастиц. Время образования очага составило 40 пикосекунд, что соответствует времени, необходимому для диффузии квазичастиц по ширине нанопроволоки. Команда намерена провести дальнейшие исследования для решения связанных кинетических уравнений взаимодействующих квазичастиц и фононов; выходит за рамки настоящей работы.
Динамика релаксации инжектированных квазичастиц. Критический ток I c при заданной мощности I t V b тем меньше, чем меньше скорость инжекции квазичастиц. Сплошные линии — числовая аппроксимация с τотн = 40 пс. Пунктирная линия — стационарный критический ток I stat c. На вставке — увеличение при малой мощности.
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-023-01999-4
Перспектива
Таким образом, Т. Джалаберт и его коллеги разработали новый мощный метод изучения динамики локальных квазичастиц в сверхпроводящих наноструктурах для настройки скорости туннелирования и энергии квазичастиц. Физики использовали экспериментальную установку, чтобы показать, как можно значительно уменьшить критический ток нанопровода, вводя ток инжекции квазичастиц на несколько величин ниже.
Они приписали результат явлению теплового нагрева квазичастиц; результаты оказывают непосредственное влияние на функцию сверхпроводящих наноустройств, таких как полевые транзисторы и детекторы фотонов, с дополнительными возможностями для разработки сверхпроводящих квантовых схем с улучшенными эффектами квазичастиц в будущем.
