Учёные из Технологического Института Джорджии в США обнаружили явление, позволяющее использовать эффект Джозефсона для обнаружения механического движения в наноструктурах.

Эффект, предсказанный Брайаном Джозефсоном в 1962 году и принесший ему Нобелевскую премию по физике в 1973 году, заключается в следующем. Если приложить разность потенциалов к двум сверхпроводникам, соединённым тонким изолирующим барьером, через такой Джозефсоновский контакт будет протекать переменный ток с частотой, прямо зависящей от приложенного напряжения.

Эти предсказания неоднократно подтверждались экспериментально, так что на сегодняшний день единица измерения напряжения в СИ – Вольт – определена через частоту Джозефсоновского тока. Эффект используется во многих областях: для сверхчувствительного детектирования электромагнитного излучения или слабых магнитных полей, а также в сверхпроводниковых кубитах. Теперь экспериментатор Алексей Марченков и теоретик Узи Ландман из Технологического Института Джорджии обнаружили, что эффект Джозефсона может быть использован для обнаружения механического движения атомов в Джозефсоновском контакте.

Схема Джозефсоновского контакта с двумя сверхпроводящими электродами и димером ниобия между ними.

В январе этого года учёные опубликовали работу, в которой сообщали, что флуктуации проводимости ультратонких ниобиевых нанопроволок вызваны колебаниями пар атомов (димеров) между подводящими контактами. В дальнейших экспериментах, проведённых ниже температуры сверхпроводящего перехода, были обнаружены новые необычные особенности вольтамперных характеристик соединения. Исследователи предположили, что новые пики проводимости при определённых значениях напряжения также связаны с механическим движением димера. При этом каждое такое пиковое напряжение должно соответствовать резонансу между частотой эффекта Джозефсона и колебательной частотой наноструктуры в контакте.

Проведя квантово-химическое моделирование, учёные рассчитали частоты трёх возможных колебаний димера между двумя электродами: движения «вперёд-назад» от одного электрода к другому, колебания перпендикулярно оси структуры и крутильного колебания относительно центра всей структуры. При этом пики проводимости должны наблюдаться при напряжениях, для которых частота Джозефсоновского тока равна этим частотам или их целым кратным. «Прицельная» экспериментальная проверка подтвердила эти результаты. При этом при повышении температуры до температуры сверхпроводящего перехода интенсивность пиков снижалась, но положение оставалось неизменным.

В дальнейшие планы исследователей входит более детальное изучение влияния атомных колебаний на свойства Джозефсоновских контактов, а также разработка новых методов определения колебательных характеристик, атомной структуры и транспортных механизмов в нанообъектах.

Василий Артюхов