Лаборатория топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах

Научные результаты:

1. Одним из важнейших достижений коллектива за период с 1 января 2018 года стала серия пионерских исследований электронных и магнитных свойств новых материалов и устройств - ферромагнитных сверхпроводников, низкоразмерных кристаллов топологических изоляторов, магнитных изоляторов, магнитных топологических изоляторов, гибридных систем сверхпроводник/ферромагнетик и сверхпроводник/топологический изолятор на основе тонких пленок, эксфолиированных и PVD синтезированных нанокристаллов, а также сегментированных нанопроводов. Важно отметить, что для исследования электронных свойств низкоразмерных структур были разработаны и отработаны уникальные на мировом уровне технологические и исследовательские методики, позволяющие реализовывать гибридные устройства для применения в криоэлектронике. 
2. Предсказано и экспериментально продемонстрировано существование первого антиферромагнитного топологического изолятора.
3. Обнаружена новая сверхпроводящая мейснеровская и вихревая фаза, обнаружено спонтанное зарождение пары квантовых вихрей в так называемых магнитных сверхпроводниках.
4. Впервые продемонстрирована эволюция квантового вихря, индуцированного в несверхпроводящем материале.
5. Визуализирована динамика вихрей сверхпроводящих токов, несущих квант магнитного потока в длинных джозефсоновских контактах. На базе исследований предложен способ реализации чуствительного датчика магнитного поля, сверхнизкодиссипативный способ реализации памяти и логического устройства.
6. Разработана методика исследования сверхтонких пленок в условиях сверхвысокого вакуума сразу после напыления.
7. Исследовано сверхпроводящее состояние в тонкопленочных гибридных бислоях сверхпроводник/ферромагнетик. Подробно изучена структура триплетных корреляций в таких системах. Построена микроскопическая теория магнитоэлектрических эффектов.
8. Исследованы возможности применения магнитоэлектрических эффектов в низкодиссипативной спинтронике, в частности, возможности контроля магнитных дефектов и управления ими с помощью сверхпроводящего конденсата. Предсказаны и описаны композитные квазичастицы магнон+триплетные куперовские пары.
9. Проведены теоретические исследования магнитоэлектрического эффекта в джозефсоновских контактах через ферромагнетик и антиферромагнетик. Данный эффект играет исключительно важную роль в низкодиссипативной спинтронике, так как он обеспечивает прямую связь между намагниченностью магнетика и фазой сверхпроводящего конденсата.  Впервые изучен принципиально новый тип состояния джозефсоновской системы – резистивное состояние в присутствии динамики намагниченности.
10. Продемонстрированы широкие перспективы использования магнитоэлектрического эффекта в спинтронике: контроль намагниченности, возможности создания криогенной памяти, управление магнитной анизотропией, электрическое детектирование переворота намагниченности и детальное электрическое детектирование магнитной динамики, новый физический принцип дальнодействующего магнитного взаимодействия через фазу конденсата.
11. Исследован потенциал применения гетероструктур сверхпроводник/магнетик в области спиновой калоритроники. Продемонстрировано, что в тонкопленочных гибридных структурах сверхпроводник/(анти)ферромагнетик возможно многократное повышение эффективности термоиндуцированного движения магнитных дефектов, что делает сверхпроводящие гибриды основой новой парадигмы спиновой калоритроники.
12. Предсказана контролируемая движением сверхпроводящего конденсата генерация триплетных сверхпроводящих корреляций, которые являются базовым элементом сверхпроводящей спинтроники. На основе данного эффекта предложена концепция джозефсоновского транзистора, управляемого пи-шифтера и фотомагнитного элемента.
13. Экспериментальное наблюдение состояния моттовского изолятора.
14. Исследование взаимодействия сверхпроводящего и ферромагнитного параметров порядка в железосодержащем высокотемпературном сверхпроводнике EuRbFe4As4.

Внедрение результатов исследования:

Ведется плотная работа с отраслевым институтом Росатома ВНИИА им. Н. Л. Духова, для чего была открыта базовая кафедра «Кафедра фундаментальной и прикладной физики микро- и наноструктур», опирающаяся на лабораторию. Ведутся совместные разработки по направлению криогенной электроники: в частности, разрабатываются криогенные генераторы высоких частот на чипе, циркуляторы на основе магнитных топологических изоляторов, сенсоры и другие квантовые, цифровые и нейроморфные устройства.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

• За время существования лаборатории организована замкнутая инфраструктура, обеспечивающая синтез, изготовление и исследование объектов, в которую входит электронная литография на базе ЦКП МФТИ, тонкопленочное напыление методами магнетронного и электронно-лучевого осаждения, сканирующая туннельная микроскопия/спектроскопии при температуре 1 К и в магнитном поле до 3 Т, магнитно-силовая микроскопия при температуре 4 К и в магнитном поле до 9 Т, сверхнизкотемпературные (10 мК) статические (dc) и радиочастотные (rf) исследования в рефрижераторе растворения в магнитных полях до 10 Т. 
• Создана инфраструктура для рециркуляции жидкого гелия. 
• Проведена серьезная работа по реализации методик и устройств для проведения прецизионных криогенных исследований. 
• Ведется работа по разработке квантовых сверхпроводниковых элементов для реализации сверхпроводящих вычислительных устройств. 
• Сотрудниками лаборатории разработана и экспериментально опробована методика использования сверхпроводниковых кубитных схем для задач квантовой метрологии: сверхточного измерения магнитных полей, неинвазивного измерения локальной температуры кубитных чипов. 
• Разработан ряд уникальных квантовых метрологических алгоритмов на основе квантового алгоритма оценки фазы и методов машинного обучения.
• В 2021 году, решением ректора и по инициативе нобелевского лауреата сэра Андрея Гейма лаборатория легла в основу нового научно исследовательского центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, руководителем которого стал ведущий научный сотрудник лаборатории к.ф.-м.н. Столяров Василий Сергеевич.

Образование и переподготовка кадров:

• Защиты: 4 кандидатские диссертации, 8 выпускных квалификационных работ магистра, 7 выпускных квалификационных работ бакалавра.
• В лаборатории большое внимание уделяется подготовке молодежи и вовлечению ее в научные исследования. Работая над передовыми и сложными задачами современной физики сверхпроводников, студенты, аспиранты и молодые ученые проводят исследования под руководством ведущих ученых с большим научным опытом в современной хорошо оснащенной лаборатории МФТИ.
• В течение 2018-2022 гг. сотрудники лаборатории принимали участие в организации и проведении в Москве международных научных мероприятий по направлению исследования лаборатории. В июле 2016 г. была проведена школа для молодых ученых в п. Листвянка (озеро Байкал) на тему «Физика сверхпроводящих гибридных структур». C 31 июля по 3 августа 2018 года сотрудники лаборатории совместно с коллегами из МИСИС и РКЦ организовали и провели в Москве первую международную конференцию по сверхпроводящим квантовым технологиям. 22-27 августа 2022 г. в рамках VIII Евро-Азиатского симпозиума «Тенденции в магнетизме», Казань, совместно с НИТУ МИСиС была проведена 2-я международная школа «Сверхпроводниковые технологии для обработки квантовой информации» Superconducting Quantum Hardware.
• Ведется непрерывная работа со студентами. Более 20 студентов выполнили свои НИР в лаборатории за отчётный период. Разработано методическое пособие по работе на сканирующем туннельном микроскопе, а также, методическое пособие по Автоматизации физического эксперимента. 

Сотрудничество:

• Университет Твенте, Нидерланды: совместные исследования, студенческие обмены.

• Исследователский Центр Юлих, Германия: совместные исследования.

• Сорбонский Университет, Париж, Франция: совместные исследования, студенческие обмены.

• Международный Центр Физики, Сан Себаастьян, Испания: совместные исследования.

• ФГУП «ВНИИА им. Н.Л.Духова», Москва, Россия: совместные исследования, студенческие обмены.

• МИСиС, Москва, Россия: совместные исследования, студенческие обмены.

• Институт Физики Твердого Тела РАН, Черноголовка, Московская обл., Россия: совместные исследования.

• Казанский Федеральный Университет, Казань, Россия: совместные исследования, студенческие обмены.