Российские ученые создали новый материал для сверхбыстрой электроники — нанопленки из аморфного рения. Они способны проводить ток без потерь на сопротивление при более высокой, чем аналоги, температуре. В частности, разработка открывает путь к созданию сверхпроводящих транзисторов, которые могут стать звеном между обычными и квантовыми вычислительными системами. В перспективе, по мере развития технологий такие материалы способны приблизить появление «карманных» суперкомпьютеров — компактных устройств с встроенным ИИ, способных обрабатывать сложные задачи локально, без подключения к интернету. Подробнее — в материале «Известий».

Как получают сверхпроводниковые материалы

В России получили материал, который может стать основой для компактных суперкомпьютеров, высокоточных детекторов и сверхбыстрой электроники. В его основе — нанопленки из аморфного рения, которые устойчивы к воздействия и обладают свойством сверхпроводимости при относительно высоких температурах. Над проектом работали ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), Московского физико-технического института и Высшей школы экономики.

Фото: Артём Доев Исследование пленки рения на атомно-силовом микроскопе

— Аморфные металлы имеют неупорядоченную структуру, что придает им новые свойства. В случае рения это привело к усилению сверхпроводимости. Сверхпроводники — это материалы, электрическое сопротивление которых при сверхнизких температурах становится равным нулю. В кристаллическом виде рений — тоже сверхпроводник, но его критическая температура (при которой возникает это состояние) довольно низкая — около 1,5 градуса по Кельвину. В аморфной же форме она подскочила до 7–8К, — рассказал «Известиям» доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФИАН и профессор факультета физики НИУ ВШЭ Александр Кунцевич.

В целом сверхпроводимостью обладает почти половина химических элементов, но для реальных применений подходят немногие. Чтобы завоевать «место под солнцем», материал должен обладать уникальными свойствами, объяснил ученый. В частности, кристаллический рений — одно из самых тугоплавких и плотных простых веществ. Чтобы его испарить и напылить тонкую пленку, ученые нагрели вещество сфокусированным пучком электронов в вакууме. Благодаря этой технологии были получены стабильные аморфные пленки толщиной в несколько десятков нанометров, подходящие для практических разработок.

Кроме того, рений устойчив к окислению и не покрывается оксидной пленкой. Вместе с тем его высокая критическая температура дает возможность применять для работы с ним наиболее дешевые системы охлаждения.

Эти свойства открывают возможность создавать на основе аморфного рения различные перспективные устройства — например, сверхпроводящие транзисторы. Как пояснил Александр Кунцевич, транзистор управляет потоком электронов, но в случае сверхпроводников речь идет о «сверхтоках», которые не рассеивают тепло и обеспечивают значительно более высокую скорость переключения по сравнению с обычной электроникой.

— Одна из идей состоит в том, чтобы соединить аморфный рений с графеном — сверхтонким слоем углерода толщиной в один атом. Когда сверхпроводник контактирует с этим материалом, его сверхпроводимость на некоторую глубину «проникает» в графен, — пояснил ученый.

Фото: Артём Доев Исследование пленки рения на оптическом микроскопе

Благодаря этому в случае графена появляется возможность управлять данным свойством с помощью электрического поля, отметил он. При этом рений в отличие от ниобия или алюминия не подвержен воздействию внешних факторов — например, окислению на воздухе. Поэтому серийное производство устройств на его основе становится вполне достижимой задачей.

По словам ученого, с помощью таких «быстрых» транзисторов можно обеспечить сопряжение сверхпроводниковой электроники с обычной кремниевой полупроводниковой. В частности, одна из ключевых проблем современных квантовых и классических суперкомпьютеров заключается в сложности их внешнего управления, поскольку для этого требуется большое количество проводов.

Сверхпроводящие транзисторы на основе рения и графена позволят обычным компьютерам, работающим при комнатной температуре, в режиме реального времени управлять конфигурацией устройств, функционирующих при температурах жидкого гелия (около 4К и ниже), например квантовых. Это открывает путь к созданию вычислительных систем, которые могут стать доступными для массового использования.

— Если помечтать и предположить в будущем уменьшение криостатов (охладителей) до настольных размеров, то на их основе можно разработать гибридные вычислители с огромной производительностью. Такие «смарт»-устройства произведут революцию в суперкомпьютерных технологиях, сделав их мобильными и персональными. Например, на них можно установить локализованные системы искусственного интеллекта, которые работают без интернета и облачных ресурсов, — сообщил Александр Кунцевич.

Он отметил, что, помимо сверхпроводящих транзисторов, полученный материал может быть востребован при производстве миниатюрных магнитов и сенсоров для измерения слабых излучений и магнитных полей.

Новый сверхпроводник для космической техники

— Открытие ученых интересно. Теперь надо понять, почему это происходит. Это, возможно, позволит увеличить температуру перехода для других сверхпроводников и найти вещества, которые обладают свойствами сверхпроводимости при комнатной температуре, — рассказал «Известиям» заместитель директора Института физических проблем им. П.Л. Капицы РАН Алексей Трояновский.

Это удачный материал для использования в чипах, но в то же время это один из самых редких и дорогих металлов. Поэтому его широкое использование ограничено. Но в микроскопических количествах, которые требуются для создания чипов, — вполне реально, отметил он.

— Разработка позволяет простым методом получать стабильные сверхпроводящие пленки с очень хорошими для практических приложений характеристиками. А их аморфность — огромный плюс для интеграции с целым рядом современных платформ. Они могут послужить основой для создания однофотонных детекторов, которые легко интегрировать в чипы благодаря совместимости со стандартными процессами. Для квантовых компьютеров эти пленки — потенциальная основа для создания кубитов, — считает научный сотрудник центра квантовых коммуникаций НТИ НИТУ МИСИС Алексей Невзоров.

Основные трудности связаны с переходом от лабораторного исследования в промышленное производство. В частности, пленки рения чувствительны к загрязнениям и их сложно использовать со стандартной нанолитографией, добавил он.

— Вероятно, в ближайшей перспективе предложенный подход найдет применение для создания сверхпроводящих контактов с другими материалами, — полагает научный сотрудник лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Гунин Сергей. — При этом, чтобы использовать ее, например, в квантовых процессорах, технологии нужно пройти длительный путь внедрения. Аналогичный тому, что прошел алюминий, который сейчас успешно используют для создания сверхпроводниковых искусственных атомов — кубитов.

В то же время, как отметил заведующий кафедрой физики твердого тела и наносистем НИЯУ МИФИ Михаил Маслов, внедрение новой методики сопряжено и с технологическими вызовами. Главная трудность — хрупкость аморфных пленок, которая может усложнить производственные процессы.

— Также установлено, что сверхпроводящие свойства пленок деградируют при контакте с органическими материалами. Критически важен и контроль температуры подложки — она должна оставаться в узком диапазоне (не выше 120 °C) для получения аморфной структуры без термических напряжений. При этом сам рений имеет высокую температуру плавления, что также усложняет процесс получения пленок, — добавил эксперт.

Тем не менее, отметил он, разработка ученых открывает возможности для создания разного рода устройств. Например, высокая плотность критического тока позволит создавать компактные сверхпроводящие переключатели и элементы интегральных схем. В медицинском оборудовании пленки могут использовать для измерения очень слабых магнитных полей, в космической технике устойчивость к окислению и высокие критические параметры делают материал перспективным для детекторов космического излучения и систем квантовой связи на спутниках.