В Японии получен новый сверхпроводник

Японские физики нашли способ перевести уже известный материал KTaO₃ в сверхпроводящее состояние.

Обычно задачу превращения полупроводников и диэлектриков в металлы или сверхпроводники решают химическим легированием — заменой атомов одного из элементов исходного соединения другими атомами с целью увеличения концентрации свободных носителей заряда n. К сожалению, химические методы далеко не всегда позволяют достичь нужной n.

Иногда в экспериментах применяют электростатическое легирование, которое также даёт возможность повысить концентрацию носителей. К примеру, в 2008 году объединённая группа учёных из Швейцарии, Франции и Германии показала, что сверхпроводимость границы раздела двух диэлектриков (LaAlO₃/SrTiO₃) в структуре обычного полевого транзистора легко «контролируется» с помощью электрического поля. Ограничение на n здесь задаётся напряжённостью поля (~10⁶ В/см), при которой происходит пробой диэлектрика.

Более высокие значения напряжённости достижимы в схеме, которую называют транзистором с двойным электрическим слоем (electric double-layer transistror, EDLT). Это устройство во многом напоминает полевой транзистор, но роль затворного диэлектрика в нём отводится жидкому электролиту. Когда в жидкость помещают подготовленный образец, ионы из электролита скапливаются у поверхности полупроводникового канала и образуют двойной электрический слой, который действует подобно конденсатору на границе раздела твёрдой и жидкой фаз. В такой конфигурации физики, выполнявшие опыты с диэлектриком SrTiO₃, сумели увеличить концентрацию носителей до ~10¹⁴ см^–2 и зарегистрировали сверхпроводящее состояние SrTiO₃ при Т = 0,4 К.

KTaO₃ очень похож на SrTiO₃: материалы имеют структуру перовскита и аналогичные зонные структуры. При температуре в ~10 К в схеме обычного полевого транзистора KTaO₃ можно перевести в металлическое состояние, но сделать его сверхпроводником ещё никому не удавалось, хотя температуру пробовали опускать даже до 10 мК.

Схема и микрофотография EDLT на основе KTaO₃ (здесь и далее иллюстрации из журнала Nature Nanotechnology).

Изготовленные авторами с использованием монокристаллов KTaO₃ образцы EDLT в нормальных условиях демонстрировали отличные транзисторные характеристики, а концентрация носителей, достигнутая при охлаждении, примерно на порядок превышала величину, которой ограничены возможности химического легирования. Когда температура опустилась до 70 мК, учёные отметили уменьшение слоевого сопротивления, и через некоторое время, при 35 мК, оно стало нулевым. Как и любой другой сверхпроводник, KTaO₃ выходил из состояния с отсутствующим сопротивлением, если экспериментаторы прикладывали магнитное поле (в нашем случае его напряжённость должна была превышать 5 Э).

Вероятно, с применением такой экспериментальной методики будет открыто ещё несколько сверхпроводящих материалов.

Результаты измерений для четырёх разных образцов EDLT при 100 К (выделены закрашенными кружками) и 2 К (незакрашенные кружки). Отдельно показаны данные по химически легированным кристаллам KTaO₃.

Уменьшение слоевого сопротивления при охлаждении EDLT. Затворное напряжение V_G здесь равняется 5 В.