Под мельчайшим рассмотрением: как квантово-вихревая микроскопия раскрывает скрытые дефекты сверхпроводников

Ученые МФТИ совместно с коллегами сравнили возможности классической магнитной силовой микроскопии (МСМ) и разработанного ими нового метода — сканирующей квантово-вихревой микроскопии — для исследования дефектов в сверхпроводящих пленках. Выяснилось, что использование квантового вихря, «зацепленного» за магнитный зонд, позволяет заглянуть не только на поверхность, но и в толщу материала. Такой подход дает пространственное разрешение, примерно на порядок превосходящее возможности МСМ, и открывает путь к визуализации скрытых дефектов, недоступных традиционным методам контроля. Результаты работы, выполненной при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-72-30004), опубликованы в журнале Mesoscience & Nanotechnology.

В классической МСМ вихрь квантованного магнитного потока жестко «прикован» к внутренним дефектам сверхпроводника. Магнитный зонд лишь регистрирует его размытое магнитное поле, не позволяя получить детальную информацию о структуре материала. Принципиальное отличие сканирующей квантово-вихревой микроскопии, разработанной в Центре перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, заключается в активной роли самого вихря.

При нагреве пленки до температур, близких к сверхпроводящему переходу, силы пиннинга ослабевают. В этих условиях магнитный зонд способен буквально оторвать вихрь от дефекта и протащить его по поверхности образца. Перемещаясь, вихрь сталкивается с внутренними неоднородностями материала. Каждый раз, когда его ядро — микроскопическая область нормального металла, окруженная вихревыми сверхпроводящими токами — цепляется за дефект, а затем срывается с него, резко меняются амплитуда и фаза колебаний высокочувствительного кантилевера. Фиксируя эти сигналы, исследователи строят карту скрытой сети пиннинговых центров — своеобразных «якорей», удерживающих вихри внутри сверхпроводника.

Чтобы убедиться, что метод действительно отражает реальную структуру материала, а не случайные шумы, ученые проверили воспроизводимость полученных карт при изменении направления сканирования и толщины пленок.

В экспериментах использовались ниобиевые пленки толщиной от 50 до 240 нм, изготовленные методом RF-магнетронного распыления. В этом процессе ионы аргона в высокочастотном разряде выбивают атомы ниобия из мишени, после чего они осаждаются на кремниевую подложку. На поверхности атомы образуют отдельные островки, которые постепенно разрастаются и сливаются в сплошную пленку. В местах контакта островков кристаллические решетки не совпадают идеально, формируя переходные области с нарушенным атомным порядком — именно они и становятся ключевыми дефектами.

Двигаясь по поверхности, вихрь чаще всего застревает именно на границах таких зерен. В результате его последовательные зацепления и срывы формируют характерный «чешуйчатый» узор, повторяющий контуры зеренной структуры. Этот рисунок практически не менялся при изменении направления сканирования, а небольшие расхождения, напоминающие гистерезис, лишь подтвердили его физическую природу и исключили влияние приборных эффектов.

Особенно наглядным оказалось сравнение пленок разной толщины. С увеличением толщины от 50 до 240 нм масштаб выявленной сети дефектов закономерно возрастал — ровно так же, как, согласно известным данным, увеличивается размер кристаллических зерен в более толстых пленках. Это стало прямым доказательством того, что метод чувствителен именно к межзеренным границам — ключевым дефектам поликристаллических сверхпроводников.

«В сканирующей квантово-вихревой микроскопии пространственное разрешение фактически ограничено размером ядра вихря и достигает порядка 30–40 нм, что примерно на порядок лучше, чем у классической МСМ, — пояснил директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, доктор физико-математических наук Василий Столяров. — Это позволяет уверенно различать тонкие элементы внутренней структуры, такие как межзеренные границы и связанные с ними дефекты, которые часто остаются невидимыми для поверхностных методов».

Чтобы разобраться в физической природе наблюдаемого эффекта, исследователи построили теоретическую модель, учитывающую конкуренцию двух сил: притяжения вихря к магнитному зонду и пиннинга — его удержания на линейных дефектах. Расчеты показали, что при низких температурах пиннинг доминирует, и вихрь остается неподвижным, как в классической МСМ. Однако при нагреве образца ближе к критической температуре баланс сил меняется, и зонд получает возможность оторвать вихрь и использовать его как подвижный квантовый щуп.

Предсказанный моделью температурный порог этого перехода точно совпал с экспериментальными данными для пленок разной толщины. Такое согласие теории и эксперимента окончательно подтвердило физическую природу метода и его надежность.

В итоге сканирующая квантово-вихревая микроскопия прошла все ключевые проверки на достоверность. Метод позволяет воспроизводимо и предсказуемо выявлять скрытую структуру сверхпроводящих пленок с рекордным разрешением. Это открывает возможности для неразрушающего экспресс-анализа сверхпроводников и наноустройств, поиска слабых мест, незаметных для других диагностических подходов, и в перспективе — для создания более надежных кубитов, детекторов и элементов сверхпроводящей электроники.

Источник: Зоркий глаз бури: сканирующая квантово-вихревая микроскопия видит тайны сверхпроводника — За науку