Старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова кандидат физико-математических наук Татьяна Ивановна Батурина получила редкую и очень престижную награду среди ученых — премию Фридриха Вильгельма Бесселя, присуждаемую раз в год германским фондом Гумбольдта. Её вручают после тщательной международной экспертизы тем исследователям, которые внесли определяющий вклад в своей области науки и в будущем достигнут еще больших высот. Достойными такой награды признают всего 20 человек в год во всех областях знаний. Номинантов выдвигают ведущие немецкие исследователи или лауреаты из других стран. По своей сути это скорее не премия, а именной грант, потому что 45 тыс. евро выделяются не на бытовые нужды, а на продолжение исследования в научных организациях Германии.

Татьяна Ивановна занимается материалами, находящимися в критической области перехода «сверхпроводник-изолятор». Из курса школьной физики все мы знаем, что материалы бывают проводниками и диэлектриками (то есть проводят или не проводят электрический ток), а также могут менять свои свойства в зависимости от температуры. Т. И. Батурина исследует сверхпроводящие пленки и структуры на их основе — такие двумерные вещества, которые при комнатной температуре являются металлическими, а при охлаждении ниже определенной температуры становятся сверхпроводящими либо диэлектрическими, то есть наблюдается переход сверхпроводник-изолятор. Причем сверхпроводящими становятся те системы, сопротивление которых при комнатной температуре ниже порогового значения, а диэлектрическими — выше.

Однако этой темой исследовательница занялась не сразу. В 1997 году успешно окончившая аспирантуру выпускница НГУ Татьяна Батурина начала работать в ИФП и сразу проявила себя как способный и вдумчивый ученый. Она занялась изучением электронного транспорта двумерных низкоразмерных полупроводниковых систем, которые сегодня составляют основу полупроводниковой электроники. Вскоре её внимание привлекли квантовые свойства сверхпроводящих пленок и особых структур на их основе. На эти исследования она направила всю свою научную энергию, и результаты не заставили себя долго ждать. Оказалось, что такие системы показывают принципиально новые физические свойства в окрестности перехода сверхпроводник-изолятор, именно на этом Татьяна сосредоточила свои исследования.

Т.И. Батурина сразу же обнаружила, что свойства изоляторов в этой области принципиально отличаются от свойств обычных изоляторов с запрещенной зоной в электронном спектре. Запрещенная зона — характеристика полупроводников и диэлектриков, описывающая возможности движения электронов в материале, для первых она обычно узкая, а для вторых — широкая, причем это — постоянное свойство. Но для структур на основе сверхпроводящих пленок, которыми занимается Татьяна, оказалось, что ширина зоны может меняться и зависит, например, от магнитного поля. Если мы воздействуем магнитом на такую структуру, то сначала запрещенная зона возрастет почти вдвое, а затем уменьшится до нуля, и в сильном магнитном поле изолятор (широкая запрещенная зона) превращается в металл (вообще нет запрещенной зоны). Свойства сверхпроводников в критической области также оказались весьма необычными: относительно слабое магнитное поле переводит сверхпроводящие пленки в изолирующее состояние, а при усилении поля происходит переход в металлическое состояние.

Еще более интересными оказались вольтамперные характеристики изоляторов. При умеренных температурах сила тока пропорциональна приложенному напряжению, то есть следует закону Ома. Однако при уменьшении температуры эта зависимость внезапно становится пороговой, то есть до тех пор, пока напряжение меньше некоторой критической величины, ток не протекает, и сопротивление пленки практически бесконечно, а при достижении критического значения ток скачком возрастает на много порядков. Иначе говоря, при низких температурах возникает новое состояние вещества — сверхизолятор, дуальное сверхпроводящему.

Это явление обусловлено формированием связанных слабыми связями сверхпроводящих островков в однородной пленке, которая находится в критической области перехода сверхпроводник-изолятор. Конкуренция между джозефсоновской и кулоновской энергиями этих островков определяет наблюдаемое основное состояние вещества: сверхпроводящее или сверхдиэлектрическое.

Многие работы Татьяна провела во всеобъемлющей научной кооперации – как с сотрудниками ИФП СО РАН, так и с ведущими учеными Германии, США, Франции, Бельгии, Англии и Испании. Результаты этих исследований были опубликованы в самых цитируемых журналах физического профиля – Nature, Nature Communications, Physical Review Letters и других.

Источник: «Наука в Сибири»
Фото: В. Яковлев