Японські фізики знайшли спосіб перевести вже відомий матеріал KTaO3 в надпровідний стан.

Зазвичай завдання перетворення напівпровідників і діелектриків в метали або надпровідники вирішують хімічним легуванням – заміною атомів одного з елементів вихідної сполуки іншими атомами з метою збільшення концентрації вільних носіїв заряду n. На жаль, хімічні методи далеко не завжди дозволяють досягти потрібної n.

Іноді в експериментах застосовують електростатичне легування, яке також дає можливість підвищити концентрацію носіїв. У 2008 році об'єднана група учених з Швейцарії, Франції та Німеччини показала, приміром, що надпровідність кордону розділу двох діелектриків (LaAlO3/SrTiO3) у структурі звичайного польового транзистора легко «контролюється» за допомогою електричного поля. Обмеження на n тут задається напруженістю поля (~ 106 В / см), при якій відбувається пробій діелектрика.

Більш високі значення напруженості досяжні в схемі, яку називають транзистором з подвійним електричним шаром (electric double-layer transistror, ​​EDLT). Це пристрій багато в чому нагадує польовий транзистор, але роль затворного діелектрика в ньому відводиться рідкому електроліту. Коли в рідину поміщають підготовлений зразок, іони з електроліту скупчуються біля поверхні напівпровідникового каналу і утворюють подвійний електричний шар, який діє подібно конденсатору на межі розділу твердої і рідкої фаз. У такій конфігурації фізики, виконували досліди з діелектриком SrTiO3, зуміли збільшити концентрацію носіїв до ~ 1014 см-2 і зареєстрували надпровідний стан SrTiO3 при Т = 0,4 К.

KTaO3 дуже схожий на SrTiO3: матеріали мають структуру перовскіту та аналогічні зонні структури. При температурі в ~ 10 К у схемі звичайного польового транзистора KTaO3 можна перевести в металеве стан, але зробити його надпровідником ще нікому не вдавалося, хоча температуру пробували опускати навіть до 10 мк.

Схема і мікрофотографія EDLT на основі KTaO3 (тут і далі ілюстрації з журналу Nature Nanotechnology).

Виготовлені авторами з використанням монокристалів KTaO3 зразки EDLT в нормальних умовах демонстрували відмінні транзисторні характеристики, а концентрація носіїв, досягнута при охолодженні, приблизно на порядок перевищувала величину, якої обмежені можливості хімічного легування. Коли температура опустилася до 70 мк, вчені відзначили зменшення шарового опору, і через деякий час, при 35 мк, воно стало нульовим. Як і будь-який інший надпровідник, KTaO3 виходив зі стану з відсутнім опором, якщо експериментатори прикладали магнітве поле (у нашому випадку його напруженість повинна була перевищувати 5 Е).

Ймовірно, із застосуванням такої експериментальної методики буде відкрито ще кілька надпровідних матеріалів.

Результати вимірювань для чотирьох різних зразків EDLT при 100 К (виділені зафарбованими кружками) і 2 К (незафарбовані гуртки). Окремо показані дані по хімічно легованих кристалів KTaO3.

Зменшення шарового опору при охолодженні EDLT. Затворної напруги VG тут дорівнює 5 В.

За матеріалами: PhysOrg

Tweet