Физики ДГУ работают над перспективными сверхпроводящими материалами для электроники

2025 год объявлен ООН Международным годом квантовой науки и технологий, что является важным признанием столетия с момента зарождения квантовой теории.
Квантовая механика лежит в основе современного технологического прогресса. Без нее невозможно представить наше общество таким, каким мы его знаем сегодня.

К концу XIX века ученые считали, что основные законы природы им уже известны, однако дальнейшие наблюдения привели физиков к осознанию того, что мир атомов ведёт себя иначе, чем мир, воспринимаемый нашими органами чувств.

К середине XXI века человечество значительно расширило понимание квантового мира, а атомная физика открыла эру электроники. Благодаря квантовой механике появились светодиоды, которые питают экраны наших ноутбуков и смартфонов.

Сегодня исследователи работают над созданием новых материалов с потенциалом для создания сверхпроводников, работающих при комнатной температуре. Такое открытие станет революционным для передачи энергии по всему миру. Человечество сможет снизить экономическое влияние на добычу топлива и сделать эффективнее способы получения солнечной и других «зеленых» энергий.
Над природой сверхпроводников работают и физики Дагестанского государственного университета.

В лабораториях НОЦ «Нанотехнологии» под руководством ректора вуза, профессора Муртазали Рабаданова осуществляется работа над инновационными технологиями, многие из которых уже защищены патентами.
В рамках государственного задания выполняются фундаментальные исследования установления природы проводимости в высокотемпературных сверхпроводниках и создания материалов с заданными свойствами на их основе.

 «Особый интерес для электроники представляют сверхпроводящие плёнки, включая многослойные структуры на их основе. Сверхпроводники – это класс перспективных квантовых материалов, обладающих уникальными свойствами, такими как отсутствие электрического сопротивления и выталкивание магнитного поля (эффект Мейсснера), что обусловлено квантово-механической природой их фазового состояния», – отмечает профессор, и. о. зав. кафедрой физики конденсированного состояния и наносистем ДГУ Даир Палчаев.

Сверхпроводящие плёнки находят применение в создании высокочувствительных датчиков магнитного поля (например, SQUID-магнитометров), микроволновых фильтров для телекоммуникационных систем, элементов квантовых вычислительных устройств, а также в разработке высокоэффективных компонентов для энергосберегающих технологий, таких как сверхпроводящие кабели и магниты для МРТ и ускорителей частиц.

«Высокая точность операций и низкие энергетические потери в сверхпроводящих контурах позволяют эффективно манипулировать квантовыми состояниями, что делает их подходящими для решения широкого класса задач», – говорит преподаватель ДГУ, к. ф.-м. н. Султанахмед Гаджимагомедов.

Современные исследования в этой области направлены на повышение масштабируемости квантовых систем, улучшение топологии связей между кубитами и минимизацию декогерентных процессов. Разработки, осуществляемые ведущими исследовательскими институтами и технологическими корпорациями, такими как IBM, Google и Rigetti, приближают сверхпроводящие квантовые процессоры к статусу универсальной платформы для реализации практических квантовых вычислений.

 «Сверхпроводящие плёнки, сформированные на таких подложках, обладают высокой совместимостью с другими функциональными слоями при изготовлении интегральных схем, что делает их привлекательными как с технологической, так и с экономической точки зрения, учитывая низкую стоимость и высокое качество поверхности кремния. Однако использование кремния в качестве подложки сопряжено с рядом существенных ограничений. Основными проблемами являются несоответствие постоянных решётки кремния и материала YBCO (около 40%), а также значительная разница коэффициентов термического расширения, которая при комнатной температуре достигает почти четырёхкратного значения. Эти несоответствия приводят к возникновению значительных механических напряжений в тонких плёнках в процессе охлаждения. Кроме того, высокая склонность кремния и YBCO к взаимной диффузии при повышенных температурах осложняет их прямую интеграцию», – поясняет Гаджимагомедов.

Для решения данных проблем применяются либо методы нанесения «толстых» плёнок YBCO, либо использование буферных слоёв, которые минимизируют влияние вышеуказанных факторов.

«Нам удалось изготовить плёнки со сверхпроводящими свойствами непосредственно на поверхности кремния с оксидным слоем, без нанесения согласующих слоёв, согласующая блочная структура формируются за счёт самоорганизации частиц, то есть формируются интересные многослойные квантовые структуры», – говорит Гаджимагомедов.

В лаборатории НОЦ «Нанотехнологии» ДГУ продемонстрировали возможность формирования сверхпроводящих плёнок YBCO на подложках кремния с подслоем из аморфного кварца. Использован был метод магнетронного распыления наноструктурированных мишеней, без нанесения дополнительных согласующих слоёв, тем самым существенно снижая технологические затраты.

На финальных этапах роста плёнки формируется наноразмерная блочная структура с разной ориентацией её составляющих. То есть происходит формирование плёнок за счёт самоорганизации частиц, обеспечивая создание многослойных квантовых структур с уникальными физико-химическими свойствами.