Учёные обнаружили, что выступы высотой всего в один атом могут точно направлять квантовые вихри в сверхпроводниках, облегчая их движение в заданном направлении более чем в 1000 раз. Этот удивительный контроль над квантовым движением обещает привести к появлению нового поколения сверхпроводящей электроники — сверхэффективной и высокопроизводительной.
Источник изображения: MANA NIMS / Art Action Inc
Сверхпроводники — это необычные материалы, которые при охлаждении ниже критической температуры могут проводить электрический ток без сопротивления. Это свойство делает их привлекательными для разработки чрезвычайно энергоэффективной электроники и других передовых технологий.
В то же время в сверхпроводниках могут возникать крошечные квантовые структуры, известные как вихри Джозефсона. Они образуются там, где магнитные поля проникают в материал, создавая небольшие области, окружённые циркулирующими электрическими (сверхпроводящими) токами. Когда вихри движутся в материале, они могут создавать электрическое сопротивление и тем самым влиять на характеристики сверхпроводника.
Обнаруженный учёными эффект позволяет управлять движением квантовых вихрей, что потенциально может помочь эффективнее использовать свойства сверхпроводников. Однако до последнего времени реализовать такой контроль не удавалось. Более того, управлять вихрями в перспективных двумерных сверхпроводниках, представляющих особый интерес для электроники будущего, было ещё сложнее.
Открытие было сделано исследователями из Центра наноархитектурных материалов (MANA), входящего в состав Японского национального института материаловедения (NIMS). Их работа предлагает новый многообещающий подход к управлению квантовым поведением вихрей в сверхпроводниках и в конечном итоге может помочь инженерам разработать сверхпроводящую электронику, которая будет потреблять гораздо меньше энергии и эффективнее обрабатывать информацию.
Учёные обнаружили, что крошечные выступы высотой всего в один атом могут действовать как микроскопические железнодорожные пути, направляя движение квантовых вихрей внутри ультратонкого сверхпроводника. Исследователи изучали атомарно тонкий слой индия на кремниевой поверхности Si(111) с регулярными ступеньками. Структуру поверхности и расположение вихрей непосредственно наблюдали с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
При определённых условиях вихри двигались вдоль выступов более чем в 1000 раз легче, чем поперёк них. Исследователи также обнаружили, что этот эффект можно регулировать, просто изменяя температуру или магнитное поле.
При индукции магнитного поля примерно от 0,10 до 0,20 Тл энергетический барьер, препятствующий движению вихрей вдоль ступенек, снижался практически до нуля. Возникал режим однонаправленного движения без закрепления вихрей на дефектах материала: они могли свободно перемещаться вдоль ступенек, хотя движение поперёк них оставалось значительно более затруднённым.
Разницу в подвижности исследователи оценивали по результатам измерений электрического сопротивления в четырёхконтактной схеме. При самых низких температурах существенную роль в движении вихрей начинало играть квантовое туннелирование — прохождение через энергетический барьер, который невозможно преодолеть таким способом в рамках классической физики. Это также представляет интерес для дальнейших исследований.
В совокупности эксперименты показали, что движением вихрей можно относительно просто управлять, изменяя температуру и магнитное поле. Хотя для практического применения потребуются дальнейшие разработки, результаты исследования открывают перспективы для управления движением вихрей в атомарно тонких материалах. В будущем этот подход может найти применение в сверхпроводящих технологиях и позволит создавать более эффективные устройства, потребляющие меньше энергии.