KAUNFRU

TiSe2

Багатозонність електронних станів: фізика та застосування

проєкт 2020.02/0408 (номер договору: 120/02.2020)

підтриманий Національним фондом досліджень України
у рамках конкурсу “Підтримка досліджень провідних та молодих учених”

Переважна більшість функціональних матеріалів є принципово багатозонними, але мікроскопічні теорії, якими намагаються їх описати, походять від ідеалізованої «однозонної» моделі електронної структури, де багатозонність додано як уточнення. Те, що такий підхід не працює, найкраще видно на прикладі надпровідності. Є багато експериментальних свідчень, що багатозонність та високі Тс тісно пов’язані. Але, не дивлячись на давню історію розвитку багатозонних моделей, жодна мікроскопічна теорія досі не пояснила цих зв’язків та не сприяла відкриттю нових надпровідників. Виходячи з попередньо отриманих результатів, ми бачимо, що можемо заповнити цю прогалину: виділити ключові механізми впливу багатозонності на електронні властивості надпровідників та розвинути три напрями їх застосування: (1) інженерію нових матеріалів та структур з вищими Тс; (2) моделювання впливу багатозонності на фазову когерентність та інтерференційні явища; (3) створення нового типу надпровідних квантових інтерферометрів.


Ключові слова: Багатозонність, надпровідність, інтерфейсна надпровідність, електронна зонна структура

Метою роботи є виявлення загальних механізмів впливу багатозонності на електронні властивості функціональних квантових матеріалів, в першу чергу надпровідників, та демонстрація прикладів їх практичного застосування. Зокрема, буде (1) побудовано модель, що пояснює кореляцію температури переходу надпровідників та близькості їх електронної структури до топологічного переходу Ліфшиця та запропоновано алгоритм пошуку надпровідників з вищими критичними температурами; (2) змодельовано вплив багатозонності на фазову когерентність та інтерференційні явища у надпровідниках та виявлено пов'язані з цим особливості транспортних та НВЧ властивостей таких матеріалів; (3) визначено роль міжзонних переходів у посиленні надпровідності на інтерфейсах та підібрано оптимальну геометрію контактів для застосування у нових надпровідних квантових інтерферометрах.

Наукові завдання:

  • Виділити ключові механізми впливу багатозонності на електронні властивості надпровідників, а саме, побудувати модель, що пояснює кореляцію температури переходу надпровідників та близькості їх електронної структури до топологічного переходу Ліфшиця та запропонувати алгоритм пошуку надпровідників з вищими критичними температурами.
  • Побудувати теорію впливу багатозонності на фазову когерентність та інтерференційні явища у надпровідниках, що передбачає: вивчення проявів ефектів дисоціації композитних вихорів Абрикосова, пов’язаних із багатозонністю; дослідження високочастотної електродинаміки багатозонних надпровідників; створення нової теоретичної моделі нелінійного мікрохвильвого відгуку багатозонного надпровідника, в якій джерелом нелінійності буде внутрішній міжзонний ефект Джозефсона; розробку теоретичної моделі параметричного резонансного збудження колективних мод Леггетта мікрохвильовим полем та створення фазових солітонів імпульсним, або мікрохвильовим збудженням великої амплітуди. Відповідні експериментальні дослідження цих нових ефектів будуть проведені на плівкових резонаторах багатозонних надпровідників (MoRe, FeSe, інших багатозонних матеріалів).

Прикладні завдання:

  • Інженерія нових матеріалів / структур з підвищеними критичними параметрами, в першу чергу Тс. Під структурами ми розуміємо в першу чергу інтерфейси (типу моношару FeSe на поверхні STO, або інтерфейси надпровідник-топологічний ізолятор), а також гетероструктури і наноструктурні композити.
  • Створення нового типу надпровідних квантових інтерферометрів із багатозонних надпровідних плівок із можливістю т’юнінгу за рахунок керування міжзонною різницею фаз багатозонного надпровідника зовнішнім джерелом струму.

Також надважливою задачею проєкту є розвиток центру колективних досліджень та залучення молоді до розвитку цього перспективного напряму, до сучасних досліджень квантових матеріалів і, зокрема, проблеми високотемпературної надпровідності. 


Основні наукові результати

  • Виділено ключові механізми впливу багатозонності на електронні властивості надпровідників (нестинг поверхонь Фермі та сингулярностей Ван Хова, близкість до переходу Ліфшиця, знакозмінний параметр порядку) та запропоновано підходи до їх застосування: Запропоновано алгоритми пошуку надпровідників з вищими критичними температурами та перспективними для квантових застосувань топологічними властивостями [Borisenko2022, Bezguba2023].
  • Створено та досліджено новий квантовий інтерферометр на основі джозефсонівського SNIS’-контакту між ніобієм (S) та монокристалічним надпровідником на основі заліза (S’) та виявлено ефект фільтрування тунельного надструму, який дає новий інструмент для фазово-чутливих досліджень надпровідного конденсату та відкриває шлях до розумної інженерії нових квантових пристроїв в оберненому просторі [Kalenyuk2021].
  • Виявлено та досліджено нові багатозонні ефекти у мікроконтактних та тунельних характеристиках плівок Mo-Re та отримано прямі докази формування двох надпровідних енергетичних щілин [Tarenkov2021, Shapovalov2021].
  • Виявлено та досліджено прояви ефектів дисоціації композитних вихорів Абрикосова, пов’язаних із багатозонністю, при входженні, протіканні струму, та у високочастотному електромагнітному полі [Kutsyk2021, Pokusinskyi2022, Pokusinskyi2024].
  • На основі комбінованого (теорія + експеримент) аналізу електронної структури багатозонних матеріалів, запропоновано нові підходи до створення нових матеріалів та гетеро-структур з підвищеними критичними параметрами, а саме: нових надпровідників з вищими Тс та властивими топологічними станами; Ван-дер-Ваальсовиx матеріалiv; інтерфейсів типу FeSe на поверхні STO та муарових надструктур; гетероструктур / наноструктурних композитів [Shapovalov2021Shemerliuk2023].
  • Розроблено модель нелінійного мікрохвильвого відгуку багатозонного надпровідника на основі внутрішнього міжзонного ефекту Джозефсона [Tarenkov2023].
  • Закладено основу експериментальної інфраструктури центру колективних досліджень квантових матеріалів та проведено низку заходів для залучення молоді до цих досліджень.

Публікації

MB Pubs 1560

За результатами проєкту опубліковано:

  • 14 статей в SCOPUS (6 статей - Q1, 7 статей - Q3)
  • 9 тез доповідей на міжнародних конференціях

Обладнання

FeSuMa 02 Pump 02 Keysight Kalenyuk

У рамках проєкту було розроблено та розгорнуто в КАУ наступні методики:

  • Метод “фермі‑поверхневої томографії”, що дозволяє за лічені хвилини, на порядок швидше за традиційні ARPES-спектрометри, мапувати поверхню Фермі монокристалічних зразків.
  • Методика вимірювання комплексної провідності у частотному діапазоні до 26,5 ГГц та у полях до 16 Т.
  • Методики напилення наноструктурованих надпровідних плівок та гетероструктур.
  • Технологія створення MoRe контактів для надпровідного інтерферометра.
  • Квантові інтерферометри з фільтрацією тунельного надструму та з керуванням зовнішнім полем.

styker4Придбано за кошти гранту та інстальовано:

  • фермі-спектрометр FeSuMa, що став основою нового експериментального методу “фермі‑поверхневої томографії”;
  • високовакуумне обладнання для фотоелектронної спектроскопії;
  • унікальний для України векторний аналізатор НВЧ кіл Keysight P9375A, що є головним елементом розробленої методики вимірювання комплексної провідності.

Загальні висновки

  • Нові квантові надпровідні матеріали, від високотемпературних надпровідників до скручених моношарів, демонструють вищий рівень емерджентної складності, а багатозонна електронна структура відіграє ключову роль у їхньому розумінні та потенційному застосуванні.
  • Порівняння купратів і надпровідників на основі заліза дозволяє зробити висновок, що довгоочікуване посилення зв'язку електронів зі спіновими флуктуаціями може бути пов'язане з резонансною взаємодією з гранично мілкими електронними кишенями, що виникають внаслідок динамічного антиферомагнітного впорядкування. Експерименти ARPES з часовою роздільною здатністю можуть пролити світло на цей сценарій.
  • Багатозонні високотемпературні надпровідники пропонують потенційне вирішення проблеми квантової декогеренції в надпровідних комп'ютерах. Однак конструкція надпровідних кубітів повинна враховувати наявність параметрів надпровідного порядку, що змінюють знак.
  • Надпровідники на основі заліза є перспективними для пошуку топологічної надпровідності. Топологічні напівметали, що несуть екзотичні електронні стани, такі як ферміони Вейля і Дірака, та мають стійкі поверхневі стани, відкривають багато застосувань в електроніці та спінтроніці.

Нові проєкти, подані на основі отриманих результатів

Отримано фінансування

  • BMBF CORE OF EXCELLENCE PROGRAM (2024-2027)
    German-Ukrainian Center for Quantum Materials
    Науковий керівник: О. А. Кордюк, академік НАН України, д.ф.-м.н., професор / Київський академічний університет
    Партнер: Prof. Dr. Bernd Büchner / Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden)
  • NATO SCIENCE FOR PEACE AND SECURITY PROGRAMME MULTI-YEAR PROJECT (2023-2024)
    Electrochromic metal oxides for transparent superconducting electronics
    Науковий керівник: А. П. Шаповалов к.ф.-м.н., старший дослідник / Київський академічний університет
    Партнер: Prof. Dr.Ali E. Aliev / University of Texas at Dallas
  • КОНКУРСНА ПРОГРАММА IEEE «МАГНЕТИЗМ ДЛЯ УКРАИНЫ 2023»
    Magnetization dynamics in superconductor-ferromagnet multilayer thin film structures
    Науковий керівник: О. А. Кордюк, академік НАН України, д.ф.-м.н., професор / Київський академічний університет

Подано

  • КОНКУРС СПІЛЬНИХ УКРАЇНСЬКО – НІМЕЦЬКИХ НАУКОВОДОСЛІДНИХ ПРОЄКТІВ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ У 2024 – 2025 рр.
    Новітні матеріали з багатокомпонентним параметром порядку для надпровідної електроніки: критичні ефекти, що впливають на квантову когерентність
    Науковий керівник: О. А. Кордюк, академік НАН України, д.ф.-м.н., професор / Київський академічний університет
    Партнер: Prof. Dr. Bernd Büchner / Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden)
  • EURIZON FELLOWSHIP PROGRAMME (2024)
    3 проєкта

Тематичні семінари та інші новини проєкту

Всі записи з семінару "Багатозонність" на Youtube: https://www.youtube.com/playlist?list=PLSGP3r1iKksPaVmYCDukMIKhz2NESq1mD