Nb/Au/Nb джозефсоновские переходы на основе единичных нанонитей золота

Использование нитевидных наноструктур в сверхпроводящих электронных устройствах является перспективным способом миниатюризации джозефсоновских переходов, обычно формируемых по планарным технологиям. Однако знаний о их работе при низких температурах в настоящее время всё ещё недостаточно. В недавней работе [1] мы описываем методику получения длинных единичных нанонитей золота диаметром 30 и 60 нм с использованием темплатного электроосаждения, а также гибридных джозефсоновских переходов, образованных путём размещения нанонитей между плоскими электродами из ниобия. Добавление стабилизатора поливинилпирролидона в процессе селективного растворения темплата позволило предотвратить агрегацию нанонитей золота для их последующего использования в качестве слабой связи в сверхпроводящих структурах.
Совокупность методов электронно-лучевой литографии и магнетронного напыления позволила изготовить джозефсоновские переходы Nb/Au-нанонить/Nb с различной длиной слабой связи от 160 до 520 нм, демонстрирующие высокие значения критического тока вплоть до 24 мкА при температуре 1,2 К. Удельное сопротивление монокристаллических участков нанонитей золота диаметром 60 нм составило 1,54 ± 0,09 мкОм∙см. В случае более поликристаллических нанонитей золота диаметром 30 нм удельное сопротивление Au увеличивается с 1,73 до 3,46 мкОм∙см при увеличении длины слабой связи от 165 до 513 нм, что демонстрирует значительное влияние границ зёрен на свойства электронного транспорта. В работе экспериментально получены зависимости критического тока от длины слабой связи, температуры, а также внешнего магнитного поля, которые хорошо описываются в рамках подхода Узаделя для длинных SN-N-NS переходов с диффузным нормальным металлом.
Высокие плотности критического тока исследуемых систем Nb/Au-нанонить/Nb вплоть до 1,6∙10⁶ А/см² в сочетании с длительной устойчивостью делают их многообещающими кандидатами для использования в сверхпроводящих гибридных устройствах на основе нитевидных наноструктур. Например, в нашей совместной работе [2] с коллегами из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ продемонстрировано, что сверхпроводящий контур с двумя такими контактами может работать как «биоподобный» нейрон в быстродействующих и энергоэффективных комплексах моделирования нейрофизиологической активности. Это позволяет приблизиться к решению актуальной задачи моделирования нейрофизиологических процессов в мозгу живых существ.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-23-00984).

---

[1] S.V. Sotnichuk, O.V. Skryabina, A.G. Shishkin, S.V. Bakurskiy, M.Yu. Kupriyanov, V.S. Stolyarov, K.S. Napolskii, Long Single Au Nanowires in Nb/Au/Nb Josephson Junctions: Implications for Superconducting Microelectronics // ACS Applied Nano Materials, 2022, v. 5, pp. 17059–17066. DOI: 10.1021/acsanm.2c03837.
[2] O.V. Skryabina, A.E. Schegolev, N.V. Klenov, S.V. Bakurskiy, A.G. Shishkin, S.V. Sotnichuk, K.S. Napolskii, I.A. Nazhestkin, I.I. Soloviev, M.Yu. Kupriyanov, V.S. Stolyarov, Superconducting Bio-Inspired Au-Nanowire-Based Neurons // Nanomaterials, 2022, v. 12, 1671. DOI: 10.3390/nano12101671.