ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Аннотация
При достижении геометрических размеров некоего объекта определенных характерных масштабов начинают проявляться явления, связанные с пониженной размерностью системы. Современные нанотехнологические методы позволяют воспроизводимо изготовлять твердотельные структуры суб-100 нм размеров, где уже могут давать ощутимый вклад различные квантовые размерные эффекты. В данной работе использовался метод взрывной электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления для изготовления металлических нанопроводов из висмута (полуметалл) и титана (сверхпроводник). Далее физическим травлением в направленной плазме аргона сечение нанопроводов последовательно уменьшалось. Между актами травления измерялись электрические свойства структур при низких температурах, позволяющие проследить развитие соответствующих квантовых размерных эффектов. В висмутовых наноструктурах с уменьшением их поперечных размеров были обнаружены осцилляции сопротивления и резкое его увеличение при достижении суб-70 нм масштабов. Эффект может быть интерпретирован как квантовый размерный эффект, связанный с квантованием энергетического спектра электронов проводимости. В сверхпроводящих системах с уменьшением сечения нанопровода заметно увеличивалась ширина сверхпроводящего перехода. В самых тонких образцах конечное сопротивление наблюдалось при температурах, существенно меньших, чем критическая температура материала. Феномен может быть также объяснен некоей разновидностью квантового размерного эффекта для квазиодномерного сверхпроводника – эффектом квантового проскальзывания фазы. Оба явления находятся в хорошем согласии с существующими модельными представлениями. Наличие квантовых размерных эффектов накладывает фундаментальные ограничения на использование наноэлектронных элементов сверхмалых размеров.

Список литературы

1. Tringides M.C., Jatochowski M., Bauer E. Quantum size effects in metallic nanostructures // Physics Today. – 2007. – Vol. 60, iss. 4. – P. 50–54. – doi: http://dx.doi.org/ 10.1063/1.2731973.
2. Arutyunov K.Yu., Auraneva H.-P., Vasenko A.S. Spatially resolved measurement of nonequilibrium quasiparticle relaxation in superconducting Al // Physical Review B. – 2011. – Vol. 83, iss. 10. – P. 104509-1–104509-7. – doi: 10.1103/PhysRevB.83.104509.
3. Microrefrigeration by quasiparticle tunneling in NIS and SIS junctions / J.P. Pekola, A.J. Manninen, M.M. Leivo, K.Yu. Arutyunov, J.K. Suoknuuti, T.I. Suppula, B. Collaudin // Physica B: Condensed Matter. – 2000. – Vol. 280, iss. 1–4. – P. 485–490. – doi: 10.1016/S0921-4526(99)01842-6.
4. Arutyunov K.Yu., Hongisto T.T. Normal-metal-insulator-superconductor interferometer // Physical Review B. – 2004. – Vol. 70, iss. 6. – P. 064514-1–064514-6. – doi: 10.1103/ PhysRevB.70.064514.
5. Ion beam shaping and downsizing of nanostructures / M. Zgirski, K.-P. Riikonen, V. Tuboltsev, P. Jalkanen, T.T. Hongisto, K.Yu. Arutyunov // Nanotechnology. – 2008. – Vol. 19, N 5. – P. 055301-1–055301-6. – doi: 10.1088/0957-4484/19/05/055301.
6. Evidence of quantum phase slip effect in titanium nanowires / J.S. Lehtinen, T. Sajavaara, K.Yu. Arutyunov, M.Yu. Presnjakov, A. Vasiliev // Physical Review B. – 2012. – Vol. 85, iss. 9. – P. 094508-1–094508-7. – doi: 10.1103/PhysRevB.85.094508.
7. Rubio R., Agraït N., Vieira S. Atomic-sized metallic contacts: mechanical properties and electronic transport // Physical Review Letter. – 1996. – Vol. 76, iss. 13. – P. 2302–2305. – doi: 10.1103/PhysRevLett.76.2302.
8. Ogrin Yu.V., Lutskii V.N., Elinson M.I. Observation of quantum size effects in thin bismuth films // JETP Letters. – 1966. – Vol. 3, iss. 3. – P. 71–73.
9. Sandomirskii V.B. Quantum size effect in a semimetal film // Soviet Physics JETP. – 1967. – Vol. 25, N 1. – P. 101–106.
10. Komnik Yu.F., Bukhshtab E.I. Observation of the quantum and classical size effects in polycrystalline thin bismuth films // Soviet Physics JETP. – 1968. – Vol. 27, N 1. – P. 34–37.
11. Duggal V.P., Rup R. Thickness-dependent oscillatory behavior of resistivity and Hall coefficient in thin single-crystalline bismuth films // Journal of Applied Physics. – 1969. – Vol. 40, iss. 2. – P. 492–495. – doi: 10.1063/1.1657426.
12. Lin Y.-M., Sun X., Dresselhaus M.S. Theoretical investigation of thermoelectric transport properties of cylindrical Bi nanowires // Physical Review B. – 2000. – Vol. 62, iss. 7. – P. 4610–4623. – doi: 10.1103/PhysRevB.62.4610.
13. Farhangfar S. Quantum size effects in a one-dimensional semimetal // Physical Review B. – 2006. – Vol. 74, iss. 20. – P. 205318-1–205318-5. – doi: 10.1103/PhysRevB.74.205318.
14. Farhangfar S. Quantum size effects in solitary wires of bismuth // Physical Review B. – 2007. – Vol. 76, iss. 20. – P. 205437-1–205437-5. – doi: 10.1103/PhysRevB.76.205437.
15. Arutyunov K.Yu., Golubev D.S., Zaikin A.D. Superconductivity in one dimension // Phy­sics Reports. – 2008. – Vol. 464, iss.1–2. – P. 1–70. – doi: 10.1016/j.physrep.2008.04.009.
16. Langer J.S., Ambegaokar V. Intrinsic resitive transition in narrow superconducting channels // Physical Review. – 1967. – Vol. 164, iss. 2. – P. 498–510. – doi: 10.1103/PhysRev.164.498.
17. McCumber D.E., Halperin B.I. Time scale of intrinsic resitive fluctuations in thin superconducting wires // Physical Review B. – 1970. – Vol. 1, iss. 3. – P. 1054–1070. – doi: 10.1103/PhysRevB.1.1054.
18. Quantum phase slips and transport in ultrathin superconducting wires / Zaikin A.D., Golubev D.S., A. van Otterlo, G.T. Zimányi // Physical Review Letters. – 1997. – Vol. 78, iss. 8. – P. 1552–1555. – doi: 10.1103/PhysRevLett.78.1552.
19. Golubev D.S., Zaikin A.D. Quantum tunneling of the order parameter in superconducting nanowires // Physical Review B. – 2001. – Vol. 64, iss. 1. – P. 014504-1–014504-14. – doi: 10.1103/PhysRevB.64.014504.
20. Golubev D.S., Zaikin A.D. Thermally activated phase slips in superconducting nanowires // Physical Review B. – 2008. – Vol. 78, iss. 14. – P. 144502-1–144502-8. – doi: 10.1103/PhysRevB.78.144502.
21. Lukens J.E., Warburton R.J., Webb W.W. Onset of quantized thermal fluctuations in one-dimensional superconductors // Physical Review Letters. – 1970. – Vol. 25, iss. 17. – P. 1180–1183. – doi: 10.1103/PhysRevLett.25.1180.
22. Newbower R.S., Beasley M.R., Tinkham M. Fluctuation effects on the superconducting transition of tin whisker crystals // Physical Review B. – 1972. – Vol. 5, iss. 3. – P. 864–867. – doi: 10.1103/PhysRevB.5.864.
23. Quantum phase slip phenomenon in ultra-narrow superconducting nanorings / K.Yu. Arutyunov, T.T. Hongisto, J.S. Lehtinen, L.I. Leino, A.L. Vasiliev // Scientific Reports. – 2012. – Vol. 2. – P. 293-1–293-7. – doi: 10.1038/srep00293.
24. Lehtinen J.S., Zakharov K., Arutyunov K. Coulomb blockade and Bloch oscillations in superconducting Ti nanowires // Physical Review Letters. – 2012. – Vol. 109, iss. 18. – P. 187001-1–187001-5. – doi: 10.1103/PhysRevLett.109.187001.
25. Hongisto T.T., Zorin A.B. Single-charge transistor based on the charge-phase duality of a superconducting nanowire circuit // Physical Review Letters. – 2012. – Vol. 108, iss. 9. – P. 097001-1–097001-5. – doi: 10.1103/PhysRevLett.108.097001.