Т.И. Батурина, А.К. Гутаковский, А.В. Латышев, D. Kalok, Ante Bilušić, V.M. Vinokur, M.R. Baklanov, C. Strunk

Проведено экспериментальное исследование низкотемпературных транспортных свойств сверхпроводящих плёнок нитрида титана (толщиной ≤ 5 нм), находящихся в окрестности перехода сверхпроводник-изолятор. Показано, что вольтамперные характеристики являются зеркально симметричными в сверхпроводящем и диэлектрическом состоянии. Продемонстрировано переключение типа вольтамперных характеристик с помощью внешнего магнитного поля. В обоих состояниях (сверхпроводящем и диэлектрическом) низкотемпературные вольтамперные зависимости имеют выраженный диодный пороговый характер, демонстрируя скачок в напряжении/токе на несколько порядков при соответствующем критическом токе или пороговом напряжении. Показано, что теория, развитая для массивов джозефсоновских переходов не только качественно, но и количественно прекрасно описывает экспериментальные данные в обоих состояниях (сверхпроводящем и диэлектрическом).

Рис. (a) планарное и (b) поперечное сечение ВРЭМ изображения плёнки TiN. (c) СЭМ изображение исследуемого образца (чёрные области – плёнка TiN). Числами обозначены номера контактов. Расстояние между контактами 2-5 составляет 450 мкм, ширина образца - 50 мкм. (d) Температурные зависимости сопротивления, приведённые на квадрат, в нулевом магнитном поле для исходной плёнки (сплошная линия) и после окисления на воздухе при T=300C при B=0 Тл и B=0.5 Тл. (e) Характерные дуальные вольтамперные зависимости в двойном логарифмическом масштабе окисленной плёнки в магнитных полях B=0 Тл и B=0.5 Тл при температурах T= 50, 150 и 350 мK, демонстрирующие три основных типа поведения: (1) омическое – ток пропорционален напряжению при относительно высокой температуре (зависимости при 350 мK); (2) линейное при малом токе/напряжении, сменяющийся нелинейным при увеличении тока/напряжения (150 мK); (3) пороговое поведение (50 мK).

Работа открывает новые перспективы для применения TiN в электронике, основанные специфических свойствах данного материала. В зависимости от толщины и степени окисления плёнки TiN могут быть металлическими, сверхпроводящими или диэлектрическими. Это позволяет конструировать электрические схемы, в которых все элементы по сути являются одним и тем же материалом. Кроме того, пороговое поведение вольтамперных зависимостей и огромная величина и острота прыжка в токе/напряжении дают возможность использования плёнок TiN в качестве сенсоров и детекторов с беспрецедентно большой чувствительностью и отношением сигнал/шум. Дуальный характер пороговых диодных вольтамперных характеристик открывает возможности применения плёнок TiN в качестве элементов логики, которые переключаются между двумя практически бездиссипативными состояниями.