сверхпроводники

До каких пределов можно уменьшать размер сверхпроводящего образца, чтобы в нем все еще сохранялась сверхпроводимость? Этот вопрос представляет собой не только фундаментальный интерес, но и важен с практической точки зрения (сверхпроводниковая наноэлектроника). В работе [1] специалисты из США, Японии и Германии использовали методику сканирующей туннельной спектроскопии для исследования конечных цепочек (BETS)₂GaCl₄ – органического сверхпроводника с T_c » 8 К в объемных образцах (рис. 1).

Рис.1. a - Молекула BETS. b - Объемная структура (BETS)2GaCl4. c - Одна из наноструктур, полученных в [1] на поверхности Ag(111). Молекулы BETS, разделенные молекулами GaCl4, образуют цепочки в вертикальном направлении.	Рис.2. Зависимость сверхпроводящей щели от числа молекулярных единиц в цепочке (BETS)2GaCl4

Эти цепочки были получены путем осаждения продуктов испарения кристаллов ((BETS)₂GaCl₄ на атомарно гладкую поверхность Ag(111). На туннельных спектрах отчетливо наблюдались особенности, обусловленные сверхпроводящей щелью D (рис. 2), причем величина D, как и следовало ожидать, увеличивалась с ростом числа N молекулярных единиц (BETS)₂GaCl₄ в цепочке, выходя на константу, отвечающую отношению 2D/k_BT_c » 13.5, то есть в четыре раза больше, чем в теории БКШ.. При этом, однако, D была отлична от нуля даже в очень короткой цепочке с N = 4 длиной около 3.5 нм (рис. 2). Интересно, что анализ угловой зависимости туннельного тока говорит о d_xy-волновой симметрии D, а значит сверхпроводимость (BETS)₂GaCl₄ не только “наноструктурированная”, но вдобавок еще и “необычная”.

Л.Опенов

1.   N.Clark et al., Nature Nanotech. 5, 261 (2010).

Сверхпроводниковый интерферометр на эффекте близости

Если сверхпроводник привести в контакт с нормальным (несверхпроводящим) металлом, то в последнем также могут возникнуть сверхпроводящие корреляции, что известно как эффект близости. При этом величину индуцированной сверхпроводящей щели можно регулировать, изменяя фазу параметра сверхпроводящего порядка, что было использовано итальянскими и финскими физиками [1] для конструирования сверхпроводникового интерферометра нового типа, который они назвали “superconducting quantum interference proximity transistor” (SQUIPT). Работа SQUIPT основана на модуляции (магнитным полем) щели, наведенной в нормальном металле – части замкнутого сверхпроводящего контура (см. рис.), что приводит к изменению тока через туннельные контакты.

Схематическое изображение двух различных типов SQUIPT, описываемых [1]. Нормальный металл – медь, сверхпроводник – алюминий. 1, 2, 3 – электроды. L ≈ 1.5 мкм.

Даже без оптимизации конструкции в [1] были достигнуты очень низкие величины шума потока ~ 10^-5 F₀Гц^-1/2 и диссипируемой мощности ~ 1 фВт – на несколько порядков меньше, чем в обычных сверхпроводниковых интерферометрах. Ожидается, что дальнейшее усовершенствование методики позволит еще более повысить чувствительность и, возможно, даже научиться измерять таким образом магнитные моменты спинов отдельных атомов и молекулярных наномагнитов.

Особенность Ван Хова и сверхпроводящая неустойчивость в допированном графене

Известно, что ванховская сингулярность (VHS) в плотности электронных состояний способствует куперовскому спариванию, если уровень Ферми E_F (определяемый концентрацией электронов) находится в непосредственной близости к VHS. В работе [1] показано, что взаимное положение E_F и VHS в графене можно регулировать путем допирования графена на подложке SiC(0001) калием и/или галлием. Этот вывод основан на данных фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Интересно, что экспериментально определенная поверхность Ферми в окрестности точки М зоны Бриллюэна оказалась даже более плоской, чем предсказывает теория – по-видимому, из-за многочастичных эффектов. Выполненные в [1] расчеты свидетельствуют о возможности нефононной сверхпроводимости надлежащим образом допированного графена, а также о конкуренции сверхпроводящей неустойчивости с магнитной.

спинтроника

Антиподы магнитных вихрей

Магнитные вихри, реализующиеся в наночастицах из магнитных материалов, стали едва ли не самыми популярными объектами микромагнитного моделирования, поскольку с ними связывают будущее магнитной памяти. Частицы с вихревым распределением намагниченности не создают полей рассеяния и потому практически не влияют друг на друга, позволяя плотнее располагать их в устройствах магнитной записи сверхвысокой емкости. Гораздо менее известны, хотя и не менее значимы для микромагнетизма, магнитные антивихри – структуры, представляющие собой топологические антиподы вихрей (рис. 1).

Существование такого микромагнитного распределения интересно само по себе. Кроме того, от него также ожидают необычных магнитотранспортных свойств, которые могут найти применение в спинтронике (например, топологический эффект Холла). Реализация антивихревого состояния – довольно сложная задача, поскольку оно энергетически невыгодно вследствие образования магнитных полюсов на краях частицы. В недавней работе [1] команда исследователей из Института физики микроструктур РАН в Нижнем Новгороде совместно с английскими коллегами спроектировала и создала магнитные наноструктуры с антивихревым распределением намагниченности в наночастицах асимметричной крестообразной формы (рис.2).

а

б

Рис. 2. Образование антивихревого состояния в крестообразных частицах с утолщениями на двух концах: а - микромагнитное моделирование: 1 - квазиоднородное состояние, 2 - зарождение вихрей в утолщениях при смене знака магнитного поля, 3 - зарождение ядра антивихря, 4 - установление антивихревого распределения; б - изображение частиц в электронном (сверху) и магнитно-силовом микроскопах  в процессе перемагничивания (белые стрелки -  направление магнитного поля) [1]

Сама форма распределения намагниченности в антивихре (рис.1б) наводит на мысль о крестообразной форме частицы, в которой он может реализоваться. Однако микромагнитное моделирование в крестообразной частице показывает, что антивихревое распределение намагниченности в энергетическом плане проигрывает однородному. Тем не менее, авторам [1] удалось путем микромагнитного моделирования найти оптимальную форму в виде креста с бульбообразными утолщениями (рис.2), в которой антивихревое состояние реализуется при перемагничивании во внешнем поле. Микромагнитное распределение проходит несколько стадий от однородного распределения, через образование вихрей в бульбочках, до зарождения антивихревого ядра и вытеснения вихрей. Результаты такой “наноинженерии” нашли убедительное подтверждение в экспериментах по наблюдению процесса перемагничивания наночастиц кобальта заданной формы с помощью магнитно-силового микроскопа (рис.2б). Конечное распределение магнитных полюсов (изображаются темными и светлыми участками) соответствует антивихревому состоянию. 

Здесь стоит отметить, что несколько лет назад антивихревое состояние было реализовано [2] на пересечении четырех магнитных вихрей в кольцах (рис.1в). Однако такая сложная форма не позволяет проводить измерения магнитотранспортных свойств.

В случае магнитных диэлектриков при расчете распределения намагниченности уже необходимо учитывать наличие неоднородного магнитоэлектрического взаимодействия, позволяющего перестраивать магнитную структуру электрическим полем [3]. Это дополнительное взаимодействие приводит к образованию в ядре вихря и антивихря электрических зарядов противоположных знаков. Как показано в [4], приложение неоднородного электрического поля в зависимости от его полярности может стабилизировать в диэлектрической магнитной наночастице либо вихревое, либо антивихревое состояния (рис.3), что позволяет рассматривать такую систему как прототип электрически переключаемого двоичного логического элемента.

Так магнитные антивихри постепенно перестают быть экзотикой и завоевывают равноправие со своими более известными собратьями.

А.Пятаков

1.   V.L.Mironov et al., Phys. Rev. B 81, 094436 (2010).

2.   K.Shigeto et al., Appl. Phys. Lett. 80, 4190 (2002).

3.   ПерсТ 15, вып. 23, с. 3 (2008).

4.   G.A.Meshkov et al., ArXiv:1001.0391.

Квантовые системы

При достаточно низких температурах конденсированные системы стремятся перейти в то или иное упорядоченное состояние. Исключением здесь являются квантовые спиновые жидкости, в которых при T ® 0 упорядочению спинов препятствуют квантовые флуктуации. Хотя нечто похожее на спиновую жидкость экспериментально наблюдалось в некоторых двумерных органических соединениях, обнаружить это состояние вещества при компьютерном моделировании долго не удавалось. В работе теоретиков из Univ. Stuttgart и Univ. Würzburg (Германия) [1] представлены результаты численного исследования фазовой диаграммы модели Хаббарда на ячеистой (как у графена) решетке при T=0 и половинном заполнении (один электрон на атом). Используя детерминантный квантовый метод Монте-Карло, авторы [1] рассчитали электронные и магнитные характеристики систем из 2L² атомов (L £ 18), выполнили скейлинг по L и установили, что в термодинамическом пределе (L ® ¥) спиновая жидкость существует в диапазоне 3.5 £ U/t £ 4.3, где U – энергия хаббардовского отталкивания электронов на одном узле, t – матричный элемент их перескока между соседними узлами. На фазовой диаграмме квантовая спин-жидкостная фаза расположена между фазой полуметалла с безмассовыми дираковскими фермионами и фазой антиферромагнитного моттовского диэлектрика (см. рис.).

Фазовая диаграмма модели Хаббарда на ячеистой решетке при половинном заполнении. SM – полуметалл, AFMI антиферромагнитный моттовский диэлектрик, SL – спиновая жидкость. D_sp – одночастичная щель, D_s – спиновая щель, m_s – подрешеточная намагниченность. На вставке – структуры прямой и обратной решетки.

Дальний порядок в спиновой жидкости отсутствует, а ближний обусловлен RVB-корреляциями в шестиугольных ячейках. Если вспомнить, что модель RVB в свое время была предложена для объяснения высокотемпературной сверхпроводимости, то естественно предположить, что добавление носителей заряда в диэлектрическую ячеистую решетку приведет к возникновению сверхпроводящих корреляций. Для экспериментальной реализации этих идей можно, например, попробовать изготовить ячеистую структуру из ультрахолодных атомов в соответствующим образом сконфигурированной оптической решетке (тогда межэлектронное взаимодействие, то есть параметр U/t легко регулируется) или же “растянуть” графен, чтобы уменьшить t и тем самым усилить кулоновские корреляции до необходимого уровня. Еще один вариант – графеноподобная решетка из атомов кремния.

Л.Опенов

1. Z.Y.Meng et al., Nature 464, 847 (2010).

Комнатнотемпературный квантовый регистр
на электронных спинах NV-центров в алмазе

Вверху – структура дефектного центра азот (N) – вакансия (V) в алмазе.
Внизу – иллюстрация организации взаимодействия между
двумя NV-центрами посредством лазерного и СВЧ излучения.

Голубая мечта квантовой информатики – создание такого квантового процессора, который бы а) был масштабируемым и б) работал при комнатной температуре. При этом одними из наиболее подходящих кандидатов в кубиты считаются спины электронов и ядер в твердых телах. В работе [1] экспериментально продемонстрированы основные операции с двумя кубитами на основе электронных спинов центров азот-вакансия (NV-центров) в изотопически чистом (с минимальным количеством парамагнитных центров ¹³С) алмазе. Дальнодействующий характер магнитного диполь-дипольного взаимодействия спинов позволяет контролируемым образом создавать запутанные состояния спиновых кубитов, отстоящих друг от друга на очень большие (по атомным меркам) расстояния ~ 10 нм, что, в свою очередь, делает возможным проведение операций с каждым из кубитов по отдельности. Авторы [1] осуществили когерентный контроль обоих кубитов, их условную динамику и селективное “считывание” результатов операции. Принципиальных ограничений для наращивания количества кубитов вроде бы нет. Чтобы увеличить точность операций, в дальнейшем предполагается использовать спины ядер углерода в качестве “вспомогательных” кубитов.

1. P.Neumann et al., Nature Phys. 6, 249 (2010).

НАНОСТРУКТУРЫ, НАНОТЕХНОЛОГИИ, НАНОЭЛЕКТРОНИКА

Квантовый контроль механического резонатора

За последние годы достигнут значительный прогресс в исследованиях квантовых свойств микро- и наномеханических резонаторов [1]. Основная сложность здесь заключается в том, что для наблюдения квантовых эффектов нужно свести среднее число n фононов в резонаторе к минимуму, а еще лучше – вообще к нулю. Это требует понижения температуры до T < hf_r/k_B, где f_r – резонансная частота. В обычных микромеханических резонаторах величина f_r отвечает движению центра масс и составляет около 10⁸ Гц, поэтому требуется T < 1 мК, и приходится использовать сложные методики типа лазерного охлаждения. Но и тогда n » 4 [2], то есть достичь основного состояния (n = 0) все равно не удается. Существенный шаг сделан сотрудниками Univ. of California, Santa Barbara (США) [3], использовавшими в качестве резонатора пьезоэлектрическую пластинку из AlN, акустические колебания в которой (периодическое изменение толщины пластинки с f_r » 6×10⁹ Гц) возбуждались при подаче напряжения на алюминиевые контакты (см. рис.).

Дилатационная резонансная мода микромеханического резонатора.
Толщина слоев AlN и Al составляет 330 и 130 нм, соответственно.

Используя обычный рефрижератор, авторы [3] охладили свое устройство до T = 25 мК и достигли состояния с n < 0.07. После решения этой задачи в [3] было изучено взаимодействие резонатора с двухуровневой квантовой системой – джозефсоновским потоковым кубитом. Оказалось возможным контролируемым образом создавать (и уничтожать) в резонаторе одиночные фононы. Осцилляции чисел заполнения наблюдались для кубита, исходно приготовленного как в возбужденном, так и в суперпозиционном состоянии. Это указывает на то, что в принципе можно создавать и запутанные состояния кубита с резонатором – что-то наподобие “шредингеровских котят”.

ФУЛЛЕРЕНЫ И НАНОТРУБКИ

Аффинные биосенсоры на основе углеродных нанотрубок

Одностенные углеродные нанотрубки (УНТ) представляют класс наноматериалов, который вполне может использоваться в качестве чувствительных элементов благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам. Так, например, УНТ, модифицированные способными к биораспознаванию молекулами, такими как антитела, аптамеры или ДНК, позволяют успешно детектировать различные объекты, включая белки, вирусы, бактерии, ДНК/РНК и даже раковые клетки. Класс аналитов, играющий ключевые роли в области мониторинга окружающей среды и здравоохранения широко представлен небольшими слабо заряженными и незаряженными молекулами, поэтому проблема их детектирования приобретает важное значение. Авторы работы [1] попытались избежать недостатков традиционных методов и предложили биосенсор на основе, как раз-таки, углеродных нанотрубок. Основная идея “прибора” заключается в изменении проводимости сенсора за счет удаления биорецептора из УНТ при взаимодействии устройства с аналитом (в данном случае с глюкозой). На рис.1. схематически изображен такой аффинный биосенсор*. В качестве демонстрации принципа действия детектора авторами был выбран комплекс глюкоза-конкавалин А-декстран. Конкавалин А (ConA) представляет собой растительный лектин, способный образовывать нековалентную связь с некоторыми углеводами. Декстран (полисахарид) и глюкоза (моносахарид), в свою очередь, обладают способностью связываться с ConA, замещая друг друга. Глюкоза при этом проявляет наибольшую способность к связыванию. Таким образом, при ее взаимодействии с системой ConA-декстран, глюкоза замещает собой декстран в данном комплексе (рис.1) и, в конечном итоге, происходит удаление ConA из одностенной углеродной нанотрубки, что и влияет на проводимость устройства.

Рис. 1. Схематическое изображение хеморезистивного биосенсора на основе механизма удаления биорецептора.

В процессе изготовления биосенсора, УНТ, прошедшие предварительную обработку, подвергались воздействию производной декстрана – феноксидекстрана (DexP), а затем помещались в раствор конкавалина А, приготовленного особым образом. На рис. 2 представлены вольтамперные характеристики “прибора”, полученные на каждом из этапов синтеза: сначала при взаимодействии УНТ с DexP, а в дальнейшем и с ConA. При заданном напряжении ток в таком УНТ-устройстве падает на каждом шаге изготовления, однако при добавлении глюкозы проводимость биосенсора возвращается к величине, характерной для декстран-модифицированной нанотрубки, что позволяет сделать вывод об удалении ConA из УНТ.

Рис. 2. Вольтамперные характеристики биосенсора на различных этапах
его изготовления и при добавлении глюкозы (сокращения см. в тексте).

В конечном итоге, авторам удалось создать сенсор на основе углеродных нанотрубок, который, по их мнению, демонстрирует два новых аспекта: во-первых, это адаптация механизма удаления биорецептора применительно к хеморезистивному сенсору, что позволяет последнему детектировать небольшие молекулы, которые было бы гораздо сложнее обнаружить другими, более традиционными, методами и, во-вторых, получен не содержащий ферментов детектор, способный идентифицировать глюкозу и обладающий высокой чувствительностью в пикомолярном диапазоне наряду с хорошей селективностью. Детектирование столь низких концентраций может оказаться полезным, например, для контроля глюкозы в организме не только посредством анализа таких жидкостей как слезы или слюна, но и на клеточном уровне. Кроме того, авторы предполагают, что апробированная на примере глюкозы методика может быть беспрепятственно расширена на целый ряд других слабо заряженных и незаряженных молекул.

_______________

* Аффинные биосенсоры (affinity biosensors) используют антитела, нуклеиновые кислоты и рецепторы. В аффинных биосенсорах в рецепторном слое происходит реакция вида А+В↔АВ. В таких реакциях не образуется новых продуктов, происходит связывание молекул А и В в комплекс АВ. К аффинным биосенсорам относятся сенсоры на ДНК, на антигены и антитела и сенсоры с использованием рецепторов.

М.Маслов

1.    L.N.Cella et al., J. Am. Chem. Soc. 132, 5024 (2010).

Ученых продолжают волновать вопросы воздействия новых наноматериалов на человека и окружающую природу. В ПерсТе сообщалось как об исследованиях на животных, так и об изучении проникновения углеродных наноматериалов (УНМ) в клетки растений [1,2]. Новая работа междисциплинарной группы ученых из Clemson Univ. (США) и Lund Univ. (Швеция) [3] отличается тем, что в ней впервые сравнивается воздействие одних и тех же УНМ на клетки растения и на клетки человека. Оказывается, эффекты резко отличаются. Влияют как структура клеток, так и свойства самих наночастиц (в особенности, гидрофобность/гидрофильность).

В качестве модельных систем растений и млекопитающих были использованы клетки Allium cepa - лука репчатого и НТ29 клетки человека.

Ученые изучили воздействие двух углеродных наноматериалов - фуллеренов С₇₀ и водорастворимых производных фуллерена С₆₀(ОН)₂₀ (рис.1). Были приготовлены суспензия С₇₀ в водном растворе NOM (NOM - natural organic matter –присутствующая в окружающей среде гетерогенная смесь разложившихся растительных и животных остатков) и водный раствор С₆₀(ОН)₂₀.

Рис.1. Слева - самосборка агрегатов С₇₀-NOM: молекулы С₇₀ показаны синим цветом, остальное – гетерогенная смесь NOM. Справа - одна молекула С₆₀(ОН)₂₀: молекула С₆₀ синего цвета, группы ОН – красные с белым.

Агрегаты С₇₀-NOM имели довольно большой разброс в размерах - 18-45 нм при концентрации 10 мг/л; 30-100 нм при 110 мг/л. Размеры и разброс в размерах С₆₀(ОН)₂₀ существенно меньше: 1.1-1.7 нм при концентрации 10 мг/л; 16-24 нм при 110 мг/л.

Микроскопия и анализ жизнеспособности клеток показали, что благодаря малым размерам и хорошей растворимости молекулы С₆₀(ОН)₂₀ легко проникают через клеточные стенки Allium cepa. Через клеточную мембрану эти гидрофильные частицы не проходят, скапливаются между стенкой и мембраной и в итоге вызывают механические повреждения мембраны. Чем выше концентрация, тем сильнее повреждения (рис.2). Некоторое снижение при концентрациях 90-110 мг/л можно объяснить образованием агрегатов в исходном растворе. На рис.3 показан результат воздействия 30 мг/л С₆₀(ОН)₂₀ при инкубации в течение 9 ч.

В отличие от С₆₀(ОН)₂₀ крупные гидрофобные агрегаты С₇₀-NOM не вызывают повреждений при концентрациях до 70 мг/л включительно. При больших концентрациях (90-110 мг/л) повреждения тоже незначительны - всего на 0.8% больше, чем у контрольного экземпляра. Это объясняется тем, что основная часть С₇₀-NOM захватывается толстой пористой клеточной стенкой (рис.4).

Рис.4. Углеродные наноматериалы в клетках растений.
Слева – молекулы С₆₀(ОН)₂₀, проникшие через клеточную стенку. Справа – кластеры С₇₀-NOM, “застрявшие” в толстой клеточной стенке.

В клетках млекопитающих наблюдались совсем другие эффекты. Воздействие С₇₀-NOM (10-110 мг/л) на клетки привело к заметному снижению числа жизнеспособных клеток, а вот молекулы С₆₀(ОН)₂₀ оказались безвредными во всем диапазоне концентраций (рис.5). У млекопитающих нет клеточной стенки, и вредное воздействие мелких гидрофильных наночастиц минимизируется, но зато к мембране беспрепятственно подходят и повреждают ее гидрофобные и/или нековалентно функционализованные наночастицы.

Рис.5. Воздействие УНМ на клетки НТ-29: a - контрольный экземпляр; b - клетки в присутствии 30 мг/л С60(ОН)20 (нет повреждений); c - повреждение клеток в присутствии 30 мг/л С70-NOM, видна агрегация молекул С70;  d - стрелкой показано разрушение клетки после инкубации с С70-NOM (110мг/л).

Обнаруженные различия в воздействии углеродных наночастиц на клетки растений и млекопитающих помогут внести ясность в некоторые проблемы нанотоксикологии и разработать эффективные и безопасные системы доставки диагностических/лекарственных средств для живых организмов.

О.Алексеева

1.   ПерсТ 16, вып. 23, с. 3 (2009).

2.   ПерсТ 16, вып. 19, с. 4 (2009).

3.   R.Chen et al., Small 6, 612 (2010).

1.   M.Penza et al., Nanotech. 21, 105501 (2010).

_____________________________________________

Внимание!