В февральском номере авторитетнейшего научного журнала Nature Physics вышла статья нашего ведущего ученого Константина Борисовича Ефетова. Онлайн версия статьи Specular interband Andreev reflections at van der Waals interfaces between graphene and NbSe2

В данной статье отражены результаты изучения свойств контактов между сверхпроводниками и графеном, проведенный эксперимент доказал возможность изготовления высококачественных контактов между графеном и сверхпроводниками, что в свою очередь приблизит исследователей к созданию новых электронных приборов и, возможно, квантового компьютера. Конечно, эта цель в большой перспективе, но исследователям уже удалось наблюдать интересный фундаментальный эффект – зеркальное андреевское отражение.

Отражение электронов от границы между нормальным металлом и сверхпроводником называется «андреевским» в честь выдающегося советского физика Александра Андреева, предсказавшего такое поведение электрона между обычным металлом и сверхпроводником.

Примечательно то, что сам эксперимент был проведен Дмитрием Ефетовым, сыном Константина Борисовича.

Константин Борисович уже писал для нашего блога экспертное мнение по высокотемпературной сверхпроводимости, где в достаточно популярном формате был описан данный эффект, эта публикация вызвала активную дискуссию и одобрение со стороны сообщества. И в этот раз мы также попросили Константина Ефетова написать для нас пресс-релиз по опубликованной статье.

Константин Борисович Ефетов является Научным руководителем проекта «Коллективные явления в квантовой материи» НИТУ «МИСиС» в рамках гранта для поддержки научных исследований программы ТОП 5–100. К.Б. Ефетов – выдающийся рецензент «Американского Физического Общества”, Директор Института теоретической физики III Рурского университета Бохума в Германии, почетный член Американского физического общества, ведущий исследователь трех проектов, финансируемых Немецким министерством научных исследований, автор более 170 публикаций, обладатель французской премии Блеза Паскаля учреждённой французским правительством и Исследовательской Премии Landau-Weizman, учреждённой Институтом Вейцмана в Израиле. Константин Ефетов — “выдающийся рецензент американского Физического Общества”. Эта Премия даётся за заметный вклад в рецензировании статей в таких журналах как Physical Review Letters, Physical Review, Reviews of Modern Physics и других.

Интернациональная группа исследователей с участием ученого, работающего рамках гранта в НИТУ «МИСиС», опубликовала важную работу по изучению свойств контактов между сверхпроводниками и графеном. Интерес к созданию и изучению таких наноструктур обусловлен поиском новых возможностей для электроники, возникающих при использовании квантовых свойств материи, а также попытками создания квантового компьютера. Важно отметить, что эффект, впервые наблюдаемый в работе, имеет глубокую фундаментальную природу и расширяет понимание наиболее интересных эффектов «нанофизики». Статья об этой работе опубликована в последнем номере Nature Physics.

Электроны, налетающие из нормального металла на сверхпроводник, отражаются точно назад в виде дырок (отсутствующий электрон обычно описывается в виде квазичастицы-дырки). Это замечательное предсказание было впервые сделано выдающимся российским физиком А.Ф. Андреевым в 1964 г.

Наблюдение этого эффекта стало возможным с развитием нанотехнологий и привлекло огромное внимание как экспериментаторов, так и теоретиков, так как сверхпроводящие структуры находят применение в электронных приборах. В настоящее время создание массивов сверхпроводящих островков является основным направлением в построении квантового компьютера.

Новые возможности возникли с появлением графена-двухмерного материала, состоящего из атомов углерода. За его создание А. Гейм и К. Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию. Благодаря необычайным свойствам графен завоевал в последние годы огромную популярность, и рассматривается как один из наиболее многообещающих материалов для полупроводниковой электроники.

А что если использовать графен вместо обычных металлов в контактах с сверхпроводниками? Как будут отражаться электроны, налетающие из графена на поверхность сверхпроводника?

В 2007 году голландский ученый К. Беенаккер заметил в своей теоретической работе, что андреевское отражение может в этом случае значительно изменить свои свойства, так что дырки будут отражаться не назад, а зеркально так, как отражается свет в зеркале. Этот эффект возникает из-за двухзонного электронного спектра графена. Эти две зоны соприкасаются в определенных точках, и если энергия электронов достаточно близка к этим точкам, возможна ситуация, когда падающий электрон находится в верхней зоне, а отраженная дырка — в нижней. Именно это и должно было бы привести к зеркальному отражению.

Хотя контакты между графеном и сверхпроводниками удалось сфабриковать уже несколько лет назад, наблюдение зеркального андреевского отражения оказалось непростой задачей, поскольку требовались исключительно чистые графеновые системы. Создание высококачественных контактов между графеном и сверхпроводящим селенидом ниобия и сверхчистых графеновых образцов и позволило в конечном итоге наблюсти зеркальное андреевское отражение.

Эксперимент проводился главным образом в Колумбийском Университете в Нью-Йорке с поддержкой из Принстонского Университета и Национального Института Материаловедения в Японии. Экспериментальные данные сравнивались с результатами теоретического расчета, проведенного Константином Ефетовым (руководитель проекта в рамках программы Топ-100) во время его работы в НИТУ «МИСиС». Хорошее согласие теории и эксперимента позволило прийти к заключению, что наблюдается именно зеркальное андреевское отражение.

Результаты работы были доложены одним из авторов работы Дмитрием Ефетовым (Массачусетский Технологический Институт) на конференции «Сверхпроводимость и Магнетизм», проведенной в НИТУ «МИСиС» в сентябре 2015 года в рамках программы Топ 5–100.

Главной целью проведенного эксперимента было наблюдение фундаментального эффекта. Но, как это часто бывает, развитие технологий, необходимых для проведения исследования, прокладывает дорогу к созданию новых приборов. В настоящее время большие надежды для построения кубитов (базовых элементов в квантовом компьютере) возлагаются на «трансмоны»-Джозефсоновские контакты, соединенные параллельно с конденсаторами. Джозефсоновские контакты — это сверхпроводники, соединенные между собой диэлектриком или нормальным металлом. В качестве соединяющего материала при построении кубитов берутся, например, полупроводниковые проволоки, обеспечивающие хорошие контакты со сверхпроводниками. Возможность изготовления высококачественных контактов между графеном и сверхпроводником, достигнутая в работе, делает возможным изготовление трансмонов на основе сверхпроводников, соединенным графеном.