От мезофизики и сверхпроводимости к квантовым компьютерам

Как залезть в область атомарного масштаба и посмотреть, что там – рассказывает Василий Столяров, доктор физико-математических наук, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.

– Василий Сергеевич, что же такое мезофизика и как давно вы ей занимаетесь?

Так получилось, что мезоскопической физикой я занимаюсь уже давно. Приставка «мезо» обычно сопоставляется с понятиями микро и макро: от греческого mikros – малый, mesos – промежуточный, а makros – большой. Таким образом Мезофизика определяет диапазон расстояний, на которых проявляются исследуемые нами квантовые явления.

Начинал я студентом кафедры сверхпроводимости и физики наноструктур МИФИ, а потом аспирантом в лаборатории сверхпроводимости ИФТТ РАН. После защиты степени кандидата физико-математических наук, под руководством ведущего российского учёного профессора Валерия Рязанова, мне предложили продолжить научную работу в Париже в Сорбонне и Высшей школе промышленной физики и химии в группе ещё одного выдающегося русского-французского учёного – профессора Дмитрия Родичева, где продолжив исследования в области мезоскопики, я получил ряд довольно ярких результатов. Затем, в 2015 году по приглашению ещё одного хорошо известного, но уже русско-голландского учёного-теоретика профессора Александра Голубова, я вернулся в Россию и поступил на должность ведущего научного сотрудника и заместителя руководителя недавно созданной им лаборатории в МФТИ.

В 2018-м году появилась возможность посетить группу нобелевского лауреата, сэра Андрея Гейма в Манчестере, где произошла серия личных встреч с обсуждениями результатов наших исследований в МФТИ, как я узнал потом из его интервью, результаты ему очень понравились. На тот момент мы уже развили на Физтехе уникальную экспериментальную базу по зондовой микроскопии и по сверхнизко-температурным измерениям различных экзотических материалов и наноструктур. Хотя визит был короткий, буквально неделя, встречи с Андреем на меня, тогда ещё молодого учёного, произвели большое впечатление и вдохновили к дальнейшей работе.

В 2020 сошлось две инициативы – ректора МФТИ и Андрея Гейма. Дмитрий Ливанов возглавивший МФТИ, пригласил нас с Голубовым тогда на приём. Пришли познакомиться, я рассказал о наших успехах. А Ливанов тогда сказал: «Василий, мы с Андреем Геймом посоветовались и решили вам предложить возглавить новое направление на Физтехе, под это мы открываем центр». Я, не ожидал, но, конечно, обрадовался, поскольку у меня уже был научный задел, и я представлял, что нужно делать

– Так что же вы делаете?

– Мы занимаемся тем, что пытаемся досконально изучить природу целого ряда квантовых эффектов, возникающих в сверхпроводниках и наноустройствах на их основе. Фундаментом центра стала ранее созданная нами лаборатория топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах, которую мы развивали с профессором Александром Авраамовичем Голубовым с 2014 года на средства выигранного мегагранта. Мы за те 6 лет очень сильно развились, обзавелись уникальным для России экспериментальным оборудованием, развили в МФТИ технологии изготовления наноструктур феноменальной сложности. Привлекли достаточно много финансирования из российских научных фондов для фундаментальных исследований, взаимодействовали с отраслевыми институтами по прикладным задачам. Мы буквально разбирали на атомы наши объекты исследования. Искали новые материалы изучали их электронную, магнитную и атомарную структуру, затем изготавливали из них устройства и изучали уже их электрофизические свойства, развивали теорию и делали выводы о возможности внедрения.

– Приведите простой пример того, что вы исследуете?

– Например, это развитие новых технологий, основанных на квантовых эффектах. Обычно, для того чтобы лучше понять особенности работы любого классического элемента электрической цепи, будь то резистор, емкость, индуктивность, диод или транзистор, на него производят дополнительное внешнее воздействие, облучают фотонами, меняют температуру, деформируют, прикладывают электрическое или магнитное поле. Отклик устройства на эти воздействия является искомым объектом исследования и используется при реализации всевозможных датчиков, передатчиков, вычислительных устройств.

Все знают, что существуют двумерные материалы, их сейчас очень активно изучают, тот же графен в Манчестере, а изучив пытаются из них делать всякие устройства. Чтобы устройство сделать, нужно положить некий двумерный кристалл или материал на какую-нибудь подложку, обычно это кремниевая пластинка, затем необходимо сделать наноразмерные контакты к этому материалу при помощи электронной литографии и процедуры напыления тонкой плёнки металла, а потом изучать, например, электронно-транспортные свойства – т.е. как при пропускании тока через эту систему меняется напряжение. Зачастую поведение электронов в таких системах необычно и проявляется в виде различных особенностей на измеренных зависимостях напряжения от пропускаемого тока.

Это связано с тем, что в наноструктурах, да ещё и с использованием квазидвумерных или квазиодномерных материалов всё намного сложнее поскольку в них определяющий вклад вносят уже квантово-размерные эффекты. Понятно, что все ещё есть интегральная реакция всех элементов наноструктуры на некое внешнее воздействие, как некоторого сенсора. Но зачастую, до конца никто не знает, в какой части устройства — это воздействие оказывает наиболее значимое влияние. Ещё больше ситуацию усложняет такое квантовое явление как сверхпроводимость – способности некоторых материалов пропускать ток без сопротивления.

– А почему так?

– Для того, чтобы понять это, нужно изучить каждый участок исследуемого устройства по отдельности с привлечением локальных методов исследования, в частности различных типов микроскопии. Это и электронная просвечивающая микроскопия, и сканирующая туннельная, и атомно-силовая и другие. Дело в том, что не только материал и его структура, но и контакты к нему очень сильно влияют на свойства устройства в целом: то, как ты подведёшь контакт к системе, так она у тебя и будет работать, например, толщина и площадь контакта играет очень большую роль. Кроме того, на границах двух материалов могут возникать новые условия для образования квантовых эффектов, например, к появлению квантовых уровней или проявлению эффекта близости – взаимное навязывание электрофизических свойств одного материала другому, или даже к образованию двумерного сверхпроводника или магнетика.

Именно по этой причине последние семь лет мы развивали в МФТИ зондовую микроскопию, которая позволяет иголкой с нано-острием залезть в область атомарного масштаба, где протекает электрический ток и посмотреть, что там.

– Получается?

– Это сложно, но получается. Сейчас эпоха квантовых технологий, и когда мы погружаемся в локальное исследование, то в первую очередь встречаемся с квантовыми эффектами на самых разных масштабах. Это и взаимодействие отдельных примесных атомов в полупроводниках и сверхпроводниках за счёт интерференционного рассеивания электронов проводимости на расстояниях в несколько атомов, это и основанный на интерференционных явлениях эффект Джозефсона между двумя сверхпроводниками соединёнными диэлектрической или металлической прослойкой толщиной от двух (что соответствует примерно 6 атомарным слоям) до нескольких сотен нанометров, вихревые процессы протекания токов квантующих поток в сверхпроводниках, достигающих микронных масштабов и многое другое. Глубокое физическое понимание возникновения условий проявления квантовых состояний, развитие теории, позволяет эффективно проектировать уже искусственные квантовые устройства, эмулирующие работу отдельного атома, или квантового взаимодействия группы атомов. Например, уже активно используются сверхпроводящие кубиты, где, фактически, кубитом является сверхпроводящее колечко со вставленными в него джозефсоновскими контактами. При этом, идёт постоянный поиск новых искусственно создаваемых квантовых систем максимально устойчивых во времени. Например, с использованием хорошо известных топологических изоляторов.

– Так какие же эффекты сверхпроводимости вы изучаете?

– Занимаясь сверхпроводниковыми устройствами важно знать свойства самих сверхпроводников. Как я уже говорил, сверхпроводимость – это такое макроскопическое квантовое состояние материала, обычно проявляющееся при очень низких температурах, при котором все электроны описываются одной волновой квантовой функцией. Как в любой квантовой системе, самый простой способ изучать сверхпроводимость, это её разрушать, определяя при этом условия, при которых она разрушается. На макроскопическом масштабе проще всего разрушить сверхпроводимость увеличивая температуру или внешнее магнитное поле, которое в свою очередь вызывает экранирующие токи в материале. Так определяются: критическая температура, критическое магнитное поле и критический ток.

На микроскопическом масштабе, локально, сверхпроводимость тоже можно разрушить – например, поместив в материал всего один магнитный атом, с собственным магнитным моментом – спином. Это связано с тем, что, в простом случае, в сверхпроводниках сверхток несут не обычные электроны, а их пары, сложная квантовая электрон-фононная связь которых выстраивает их спины в противоположные направления (образуя так называемую куперовскую пару). Таким образом, когда такая пара электронов перемещаясь по сверхпроводнику встречает магнитный атом с третьим спином происходит рассеивание этих электронов, в результате чего появляется, так называемое, квазичастичное возбуждение. Другими словами, в данной конкретной точке пространства появляется некоторое локальное сопротивление беспрепятственному протеканию сверхтока. И, как мы выяснили, на примере сверхпроводящего материала NbSe₂, в двумерных сверхпроводниках рассеивание или возбуждение куперовской пары на магнитной примеси и последующая релаксация этого возбуждения происходит на порядок в больших масштабах, чем в трёхмерных системах, и достигает 30 нанометров (примерно 90 атомных размеров) и претерпевает серию осцилляций. Причем наше наблюдение хорошо описывается ранее предсказанной теорией Ю-Шиба-Русинова, Результаты этих исследований мы опубликовали в журнале Nature Physics.

Теперь представим, что таких примесей много в материале, тогда, взаимодействуя они образуют обменное поле, которое также, как и отдельный магнитный атом воздействует на куперовскую пару, попавшую только уже в область их взаимодействия. При этом, варьируя концентрацию магнитных примесей, можно управлять обменным полем, а значит и свойствами рассевания. Более того, взаимодействие электронов куперовской пары с обменным полем приводит к появлению спонтанных сверхтоков, компенсирующих вызванное магнитное возмущение. На этом принципе реализуются такие известные квантовые сверхпроводящие устройства, как фазовые батарейки, способные генерировать циркуляцию незатухающего сверхпроводящего тока в сверхпроводящем кольце.

– Удалось ли вам открыть что-то новое, изучая сверхпроводящие объекты?

– Конечно! Нам удалось детально изучить эффект близости на границе между двумя металлами, один из которых сверхпроводящий, а другой нет, или даже магнитный. Мы показали, что взаимное влияние происходит на вполне конкретных мезоскопических длинах в несколько десятков нанометров. В целом мы убедительно продемонстрировали возможности туннельной микроскопии при исследовании контактов в наноустройствах.

В продолжение проведенных исследований, комбинируя сканирующую туннельную, магнитно-силовую микроскопию и электронно-транспортные исследования мы предложили новый вид криогенного переключателя, в основе которой лежит манипулирование вихрем сверхпроводящих токов в джозефсоновском контакте – так называемом джозефсоновском вихрем, находящемся в стационарном режиме – условие при котором электрическое напряжение на устройстве не возникает. Таким образом мы реализовали прототип энергоэффективной памяти. Также это устройство может быть использовано при развитии криогенных устройств, сопровождающих работу кубитов.

В развитие исследования джозефсоновских контактов, можно отметить, что мы первые в мире, кто реализовал такие устройства с использование наноразмерных монокристаллов халькогенидов переходных металлов правильной гексогональной формы с поверхностными двумерными электроными подсистемами, входящих в класс материалов, так называемых, топологических изоляторов. Наградой за первопроходство стало открытие. Первое в своём роде экспериментальное наблюдение низколежащих Андреевских уровней в таких системах связанной с присутствием p-волновой сверхпроводимости – обеспеченной электронами p-обриталей.

Ещё одним результатом наше работы стало открытие мейснеровских доменов в новых материалах, сочетающих как магнитные, так и сверхпроводящие свойства – магнитные сверхпроводники. Причём мейснеровские домены, вызванные процессом экранировки сверхпроводником магнитной подсистемы кристаллов, являются благоприятной средой для спонтанного рождения пар вихрей и анти-вихрей.

Конечно, специфика нашей работы связана с постоянными открытиями, можно сказать что мы их делаем каждый день, а перечисленные выше пример лишь капля в море наблюдаемых явлений. К тому же мы занимаемся не только сверхпроводимостью, но и другими системами. Сейчас в поле нашего зрения попали магнитные топологические изоляторы, и мы уже имеем данные, которые будут интересны мировому научному сообществу.

Можно смело сказать, что наши исследования позволяют существенно развить теорию, а как следствие, открывает новые возможности для моделирования сложных сверхпроводниковых цифровых и квантовых устройств.

– Как ваши исследования смогут повлиять на окружающий мир?

– Обычные полупроводниковые вычислительные системы не лишены недостатков – основной их проблемой является большое энергопотребления с выделением тепла, пропорционального потреблению. И при наращивании производительности закономерно повышается энергопотребление и, следовательно, приходится решать серьёзную проблему отвода тепла.

Ещё в советское время была выдвинута идея о том, что устройства на сверхпроводниках могут заменить полупроводниковые системы, но без «ненужного» тепловыделения. Сегодня мы это видим своими глазами.

Уже продемонстрировано превосходство квантовых вычисленных систем, реализованных на сверхпроводящей элементной базе. Думаю, за сверхпроводящей электроникой и за сверхпроводимостью в целом большое будущее. Нельзя не отметить и спинтронику. Устройства, оперирующие отдельными спинами электронов – тоже перспективное направление.

– Вы сможете сделать квантовый компьютер?

– У нас пока не хватает технических ресурсов чтобы решить эту задачу так же эффективно, как это делает Google или IBM, но идеологически мы знаем, как это делать и движемся в этом направлении. На создание такого компьютера потребуется, построить лаборатории, технологические центры, наполнить их оборудованием. К примеру, за границей такие центры уже давно построены и ресурсы уже выделены, идёт накопление знаний. Сейчас мы хорошо видим, что у них уже есть успехи и нам, конечно, стратегически важно это учитывать.

– А как вы решаете проблему с кадрами?

– Чтобы решать эту проблему на протяжении последних восьми лет мы работали со студентами и аспирантами, на сегодня мы выпустили более 25 дипломников и 6 аспирантов. В стенах нашего центра выросло трое молодых докторов наук, включая меня. А в этом году мы открыли новую кафедру фундаментальной и прикладной физики микро- и наноструктур, базовой организацией кафедры является ВНИИА им. Н.Л. Духова. Основной задачей кафедры является подготовка физиков экспериментаторов с хорошей теоретической подготовкой, а также физиков теоретиков с глубоким пониманием постановки современного эксперимента. По моему опыту, в связи с дефицитом кадров, чрезвычайно важно сегодня готовить ребят с хорошим кругозором. Естественно для такой подготовки требуются крепкие умы, поскольку нагрузка удвоенная, но на выходе мы получаем полноценных учёных, способных ставить и решать самые амбициозные задачи.

Кроме того, наш центр активно участвует в развитии российской научной соцсети Colab. Которая позволяет взаимодействовать учёным-единомышленникам, получать доступ к уникальному оборудованию, обмениваться статьями. Считаю это также очень важно для развития Российской науки в целом.

– Назовите три причины, почему молодой учёный должен выбрать именно ваш центр?

– Во-первых это местоположение. Центр расположен в одном из ведущих университетов страны – МФТИ, где учатся очень мотивированные к получению знаний молодые люди. Это огромный потенциал.

Во-вторых, это перспективная тематика, и хорошая материальная оснащенность. У нас есть шесть уникальных для России, да и для мира установок. Они позволяют проводить исследования на самом передовом уровне. Это два рефрижератора растворения, позволяющие работать при температурах 10 мК, с векторным полем до 10 тесла, причем один самый большой и мощный в России, два криогенных атомно-силовых микроскопа на 4К и на 1К, позволяющие изучать магнитные неоднородности поверхностей. Уникальный для России сканирующий туннельный микроскоп, работающий при 1К с магнитным полем до 3 тесла, позволяющий проводить туннельную спектроскопию с атомным разрешением. При этом мы пытаемся постоянно наращивать наш технический потенциал, разрабатывая и приобретая новое оборудование.

В-третьих – это наш научный состав. Сотрудниками центра являются высокорейтинговые очень опытные учёные с мировым именем. Мы имеем прочные международные связи с коллегами, работающими по схожим с нами тематикам. Постоянно участвуем в международных конференция и проводим их сами. Стоит отметить высокую публикационную активность наших сотрудников и учеников. Ежегодно мы выпускаем около 30 научных трудов в самых известных изданиях мира, при этом нас активно цитируют.

– Какая у вас научная мечта?

– Мне хотелось бы развить в России школу мезоскопической физики, чтобы получить необходимое количество специалистов которые продолжат научные исследования, разработают технологии по созданию квантовых вычислительных систем для нашего государства.

Есть проблема, что хорошо подготовленные кадры всё-таки уезжают за границу. Мы их воспитываем, вкладываем душу, а они уезжают – теряется некая быстрая обратная связь. Да, они иногда возвращаются, но быстрого эффекта – ты передал, а он подхватил и пошёл дальше работать, – этого нет, и это печально.

Надо стараться создавать в России такие точки, куда молодёжи хотелось бы идти, чтобы они были конкуренты с мировыми аналогичными объектами. И говорить о таких центрах нужно на каждом углу! Я пытаюсь сделать такой точкой наш Центр.