Это открытие не только обеспечивает идеальную платформу для исследования механизма сверхпроводимости в двумерной системе, но и открывает путь для разработки наноразмерных сверхпроводящих устройств следующего поколения.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials 1 июня 2015 г.
Сверхпроводники считаются одними из самых многообещающих кандидатов для передовых электронных устройств следующего поколения, потому что уникальные квантовые эффекты в сверхпроводниках являются большим преимуществом в достижении энергосбережения и сверхвысокой скорости обработки.
Однако применение сверхпроводников в устройствах долгое время сдерживалось. Самым большим препятствием является необходимость огромной и дорогой системы охлаждения с жидким гелием из-за низкой Tc обычных сверхпроводников, которая близка к абсолютному нулю (0 K, – 273 ° C) * 1. Также было большой проблемой реализовать интеграцию сверхпроводников с высокой плотностью в электронные устройства. Чтобы преодолеть эти проблемы, определенно необходимо разработать новый сверхпроводник с более высокой Tc, из которого можно было бы изготовить тонкую пленку.
Группа исследователей из Университета Тохоку обратила внимание на селенид железа (FeSe), который входит в состав сверхпроводников на основе железа * 2. В то время как Tc объемного FeSe составляет всего 8 K (-265 ° C), признак сверхпроводимости с более высокой Tc был предложен в ультратонкой пленке, и срочно требуется его проверка.
Сначала исследователи изготовили высококачественные атомно тонкие пленки FeSe с толщиной от одного монослоя (что соответствует толщине трех атомов) до двадцати монослоев (толщина шестьдесят атомов), используя молекулярно-лучевую эпитаксию (МБЭ). метод * 3. Затем они тщательно исследовали электронную структуру выращенных пленок методом фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) * 4.
При измерении ARPES исследователи наблюдали открытие сверхпроводящей щели при низкой температуре * 5, что является прямым доказательством возникновения сверхпроводимости в пленках. Исследователи обнаружили, что Tc, оцененная по закрытию зазора в однослойной пленке, на удивление высока (выше 60 K), что примерно в 8 раз выше, чем Tc объемного FeSe.
В то время как многослойные пленки не проявляют сверхпроводимости в исходном состоянии, исследователи открыли новый метод осаждения щелочных атомов на пленки и, таким образом, контроля электронной плотности в пленке. Используя этот метод, исследователям удалось превратить несверхпроводящие многослойные пленки FeSe в высокотемпературные сверхпроводники с Tc до ~ 50 К.
Настоящий результат имеет большое значение как для фундаментальных, так и для прикладных исследований в области сверхпроводников. Исследователи ясно показали, как сверхпроводимость возникает, усиливается и контролируется в атомарно тонких пленках FeSe. Хотя достигнутая в этом исследовании Tc (50-60 K) все еще ниже, чем у купратных высокотемпературных сверхпроводников (самая высокая Tc?135 K), которая вызвала «высокотемпературную лихорадку» в мире 30 лет назад, она явно превосходит рекорд других «высокотемпературных сверхпроводников», таких как фуллереновые (C60) сверхпроводники (Tc ~ 33 K) и MgB2 (Tc ~ 39 К), близко приближаясь к температуре жидкого азота (77 К).
Настоящий отчет приведет к интенсивным исследованиям по дальнейшему увеличению Tc за счет изменения количества атомных слоев, количества легированных электронов и вида подложки.
Настоящий результат также расширил бы диапазон как фундаментальных, так и прикладных исследований сверхпроводимости, потому что Tc 50-60 K, достигнутая в настоящем исследовании, достаточно высока, чтобы поддерживать сверхпроводящее состояние с помощью системы охлаждения газового типа с замкнутым циклом. без жидкого гелия.
Нынешний успех в создании атомно-тонкого высокотемпературного сверхпроводника не только обеспечивает идеальную платформу для исследования новой двумерной сверхпроводимости, но также открывает путь к разработке совершенного сверхпроводящего наноустройства, состоящего из электронных частей атомного размера. Ультратонкий высокотемпературный сверхпроводник будет эффективно способствовать значительному уменьшению размеров и, как следствие, интеграции высокой плотности в электрические цепи, что приведет к реализации электронных устройств будущего поколения с высокой энергоэффективностью и сверхвысокой скоростью работы.
Работа поддержана грантами Японского общества содействия науке (JSPS) и Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии (MEXT).
Примечания
* 1) K (Кельвин) Единица измерения температуры по абсолютной шкале. Следующее соотношение преобразует эту шкалу в шкалу градусов Цельсия (?). ? = К – 273.15
* 2) Сверхпроводники на основе железа Группа сверхпроводников, состоящая из двумерного слоя железа, которая была впервые обнаружена в 2008 году профессором.
Хидео Хосоно, Токийский технологический институт, Япония.
* 3) Метод молекулярно-лучевой эпитаксии.
Метод выращивания тонкой монокристаллической пленки на подложке. Составляющие атомы селективно испаряются и осаждаются на подложке под вакуумом хорошо контролируемым образом.
Этот метод имеет преимущество в выращивании высококачественной монокристаллической пленки.
* 4) Фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением.
Экспериментальный метод прямого определения энергии и импульса электронов в твердых телах. Он основан на внешнем фотоэффекте, предсказанном Эйнштейном. Недавнее значительное улучшение энергетического разрешения позволяет точно исследовать сверхпроводящие электроны.
* 5) Сверхпроводящая щель Энергозатраты на создание сверхпроводящей электронной пары (куперовской пары).
Величина непосредственно наблюдается с помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением.