Научная группа занимается фундаментальными проблемами квантовой механики и созданием новых сверхбыстрых и сверхчувствительных приборов.
Руководитель направления: профессор, д.ф.м.н. Куприянов Михаил Юрьевич
Руководители групп: в.н.с., д.ф.-м.н. Соловьев Игорь Игоревич и доцент, д.т.н. Кленов Николай Викторович
Работа по направлению сосредоточена на теоретическом и экспериментальном исследование процессов в металлических и молекулярных наноструктурах и устройствах на их основе, включая:
- Сверхпроводниковые нейроны, синапсы, нейронные сети;
- Цифровые сверхпроводниковые устройства на новой элементной базе, для которых носители информации – кинки джозефсоновской фазы вместо квантов магнитного потока;
- Разработка устройств для неразрушающего считывания и быстрой записи информации в сверхпроводниковые квантовые регистры;
- Джозефсоновские контакты с топологическими изоляторами и нанопроводами сложного фазового состава в области слабой связи;
- Совершенствование методов разработки и проектирования микросхем сверхпроводниковых устройств.
Теоретические работы сфокусированы на исследовании электронного транспорта в наноструктурах, содержащих сверхпроводящие, нормальные и ферромагнитные материалы. Интерес к проблемам электронного транспорта обусловлен существованием целого ряда красивых квантовых эффектов, которые не только наблюдаемы, но практически значимы.
В первую очередь – это эффекты Джозефсона, в соответствии с которыми в системах, содержащих более двух сверхпроводящих электродов, возможно бездиссипативное протекание тока вне зависимости от типа проводимости материала, обеспечивающего связь между ними. Напряжение между электродами возникает при превышении током некоторого критического значения. Наличие разности потенциалов приводит к генерации в структуре электромагнитного излучения, частота которого связана с напряжением коэффициентом пропорциональности, составленным из фундаментальных констант. Этот эффект позволяет создавать на основе джозефсоновских структур квантовые стандарты напряжения, которые с метрологической точностью могут воспроизводить как абсолютное значение напряжения на уровнях 1 и 10 Вольт, так и заданную форму сигнала.
Наноструктуры со сверхпроводящими и ферромагнитными материалами богаты целым классом неравновесных мезоскопических эффектов. Неравновесность функции распределения электронов по энергиям, (т.е. отличие ее от фермиевской) легко реализуется в нормальном металле контактирующим со сверхпроводником, например, простым заданием постоянного тока через их границу. Протекающий в сверхпроводнике сверхпроводящий ток, трансформируется в нормальный на длинах порядка длины энергетической релаксации электрона в нормальном металле, которая при низких температурах может достигать десятков микрометров. Если таких границ несколько, то, пропуская ток через пару выделенных электродов наноструктуры, можно оказывать заметное воздействие на транспорт между другими ее электродами. В структурах с ферромагнетиками проявляется наличие в них обменного поля, которое по-разному действует на электронные и дырочные возбуждения. Вследствие этого наведенные из сверхпроводника S в ферромагнетик F сверхпроводящие свойства не затухают экспоненциально, как в случае нормального металла, а носят осцилляционный характер. При фиксированных геометрических размерах системы это обстоятельство может привести к немонотонным температурным зависимостям критической температуры многослойных SFSFSF структур, а также к температурным осцилляциям критического тока SFS джозефсоновских переходов. Теоретические исследования мезоскопических неравновесных эффектов в наноструктурах со сверхпроводниками является одной из областей научных интересов лаборатории физики наноструктур НИИЯФ МГУ. Они ведутся в тесном научном контакте с Университетом г. Твенте, Нидерланы; ИФФТ РАН, Черноголовка; фирмой HYPRESS, США; Казанским государственным университетом, Институтом Электронной Инженерии и Нанотехнологий им. Д. Гицу Академии Наук Республики Молдова; Факультетом общей и прикладной физики (ФОПФ МФТИ) Московского физико-технического института; Московским техническим университетом связи и информатики (МТУСИ).
Комбинация эффекта Джозефсона с эффектом квантования магнитного потока в замкнутых сверхпроводящих контурах открывает возможность создания высокоточных устройств для измерения магнитного потока (сверхпроводящие квантовые интерферометры) и устройств сверхбыстрой обработки информации (быстрая одноквантовая логика, БОК). Первые БОК устройства были спроектированы в МГУ и экспериментально изготовлены в ИРЭ РАН. В отличие от полупроводниковых вычислительных устройств, информация в элементах БОК логики представляется не в потенциальной, а в импульсной форме, т.е. логической единице соответствует не определенный уровень напряжения, а наличие или отсутствие импульса напряжения в интервале между тактовыми импульсами. При этом оказывается, что площадь этого импульса определяется лишь комбинацией квантовых констант, т.е. строго квантована. Импульсы регенерируются джозефсоновскими переходами и распространяются на расстояния порядка нескольких сантиметров по полосковым и джозефсоновским линиям передач с минимальными диссипативными и дисперсионными искажениями. В настоящее время экспериментально продемонстрирована работа ячеек БОК логики на частотах порядка 750 ГГц при уровне диссипации на логическую операцию на пять порядков меньше, чем в полупроводниковых аналогах. Работа по проектированию устройств БОК логики, а также разработке новой, «фазовой логики» также является одним из направлений деятельности лаборатории.
Квантовая оптика на чипе – еще одно направление исследований нашей группы. Специфика поведения электронного конденсата в сверхпроводящих материалах позволяет создавать на их основе искусственные «джозефсоновские» атомы, комбинировать их в искусственные кристаллические решетки и даже квантовые интерферометры. Реальные размеры таких «атомов» в экспериментальных образцах могут составлять тысячи/десятки тысяч боровских радиусов. Ведутся исследования взаимодействия искусственного атома и кристаллической решетки со сверхкоротким электромагнитными импульсами. В классической оптике аналогичные исследования оказываются невозможными ввиду несовершенства современных технологий.