Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына
Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Лаборатория физики наноструктур

Лаборатория физики наноструктур (ЛФН) входит в состав Отдела микроэлектроники (ОМЭ) НИИЯФ МГУ. Она была создана в начале 1999 года и объединила работающие в НИИЯФ МГУ научные группы, тесно связанные по научной тематике с исследованиями, которые велись под руководством доктора физико-математических наук Константина Константиновича Лихарева на физическом факультете МГУ (лаборатория криоэлектроники). Руководителем ЛФН является доктор физико-математических наук, профессор Михаил Юрьевич Куприянов.

ЛФН оснащена уникальным отечественным и импортным технологическим оборудованием, позволяющим вести экспериментальные и теоретические исследования на самом высоком научном уровне.

Основным направлением деятельности ЛФН является теоретическое и экспериментальное исследование процессов в металлических и молекулярных наноструктурах и устройствах на их основе.

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 и 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 этими электродами. 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. Работы по проектированию и разработке таких эталонов ведутся в ЛФН совместно Институтом физических проблем, г.Зеленоград, Институтом физики микроструктур РАН, Нижний Новгород.

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 ЛФН НИИЯФ МГУ. Они ведутся в тесном научном контакте с Университетом г. Твенте, Голландия, ИФФТ РАН, Черноголовка, HYPRESS, США.

Неравновесные эффекты возникают и при поглощении электромагнитного излучения в сверхпроводящих пленках болометров и детекторов микроволнового излучения на SINIS гетероструктурах. Разработка теории работы таких устройств также является одним из направлений исследований в ЛФН.

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, то есть 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, то есть 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 также является одним из направлений деятельности ЛФН. Эти работы ведутся совместно с фирмой Хайпресс и Университетом штата Нью-Йорк в Стони Брук, США.

Проводятся теоретические исследования в структурах с новыми высокотемпературными сверхпроводниками – пниктидами, - материалами со сложной многозонной электронной структурой и с необычными видами сверхпроводящего спаривания. Основываясь на уравнениях сильной связи, сотрудниками ЛФН были впервые получены граничные условия для контакта нормального металла с многозонными сверхпроводниками. Эти граничные условия справедливы вне приближения эффективной массы и позволяют учесть как сложный непараболический и анизотропный спектр нормальных возбуждений в сверхпроводнике и их многозонный характер, так и необычные виды симметрий сверхпроводящего параметра порядка. На основе полученных граничных условий был предсказан целый ряд новых эффектов, в том числе продемонстрирован эффект интерференции состояний, принадлежащих различным долинам многозонного металла. В настоящее время исследования сфокусированы на применение полученных условий для расчетов параметров и процессов в многослойных структурах, содержащих пниктиды.

С уменьшением геометрических размеров джозефсоновских переходов возникает новый класс квантовых мезоскопических эффектов, обязанных своим существованием квантованию электрического заряда – «одноэлектроника». В ЛФН имеется экспериментально-технологическая база, позволяющая изготавливать и исследовать устройства, в которых транспорт тока, а также хранение информации, осуществляется отдельными электронами. Работы в этом направлении ведутся в тесном контакте с лабораторией криоэлектроники физического факультета МГУ. За последние несколько лет в группе, занимающейся металлической одноэлектроникой предложены, изготовлены и исследованы оригинальные наноразмерные структуры – прототипы будущих цифровых и аналоговых устройств квантовой электроники, разработаны и реализованы оригинальные методы изготовления и исследования наноструктур широкого класса, создан датчик электрометра, обладающий рекордной чувствительностью к наведенному электрическому заряду (порядка 10^-5 заряда электрона/Гц^1/2 ). Работы в этом направлении ведутся совместно Физико-техническим федеральным центром, г. Брауншвайг, Германия.

Создана уникальная установка, позволяющая проводит исследования оптических свойств нанообъектов в ближнем поле, например, исследовать механизмы превращения туннельного тока СТМ в флуктуирующую люминесценцию нульмерных полупроводниковых наноструктур.

В ЛФН ведутся фундаментальные междисциплинарные экспериментальные и теоретические исследования физических свойств полупроводникового полевого транзистора с каналом–нанопроводом и возможностей его применения для диагностики нанобиосистем и устройств наноэлектроники в качестве полевого/зарядового сенсора. Основной упор делается на разработку методики формирования, изготовление и расчет параметров сенсора с геометрией нанопровода предназначенной для локальных измерений.