Atomiportaat ohjaavat kvanttipyörteitä 1 000 kertaa helpommin

Japanilaiset tutkijat ovat osoittaneet, että vain yhden atomin korkuinen pintaporras voi toimia kvanttipyörteiden kiskona ja antaa pyörteiden liikkua yhteen suuntaan noin 1 000 kertaa helpommin kuin toiseen.

Tulos saatiin piille rakennetusta erittäin ohuesta indiumsuprajohteesta. Physical Review B -lehdessä julkaistussa vertaisarvioidussa tutkimuksessa Japanin National Institute for Materials Science (NIMS) -instituutin, Hokkaidon yliopiston, Intian National Institute of Science Education and Research -instituutin ja Institute of Science Tokyo -yliopiston tutkijat mittasivat, miten Josephson-pyörteet liikkuivat säännöllisen atomiportaikon suuntaisesti ja sitä vastaan kohtisuorasti.

Ero oli keskivahvoissa magneettikentissä suuruusluokkaa 10³. Sen sijaan että portaat olisivat vain vanginneet pyörteitä, kuten viat usein tekevät suprajohteissa, ne muodostivat voimakkaasti suunnatun kuljetuskanavan, jonka toimintaa voitiin säätää lämpötilalla ja magneettikentällä.

Miksi pyörteiden liike on tärkeää suprajohteessa

Suprajohde johtaa sähkövirtaa ilman tavallista vastusta kriittisen lämpötilan alapuolella. Magneettikentässä magneettivuo voi kuitenkin tunkeutua materiaaliin kiertävän virran kvantittuneina pyörteinä. Kun pyörteet liikkuvat, ne hajottavat energiaa ja synnyttävät sähkövastusta.

Pyörteiden liikkeen hallinta on siksi suprajohdemateriaalien keskeinen ongelma. Perinteisessä suunnittelussa pyörteitä yritetään usein pitää paikoillaan kiinnityskohdiksi kutsutuilla vioilla. Uusi koe tarkastelee toisenlaista mahdollisuutta: pinta muotoillaan siten, että pyörteet kulkevat helposti yhteen suuntaan mutta niiden liike estyy voimakkaasti toiseen suuntaan.

Ryhmä käytti atomikerrossuprajohdetta Si(111)-(√7×√3)-In, joka muodostetaan peittämällä hieman kallistettu piipinta indiumin atomikaksoiskerroksilla. Kallistus muodostaa rinnakkaisia terasseja, joita erottavat pääasiassa 0,31 nanometrin korkuiset portaat. Terassien keskileveys oli noin 89 nanometriä, lähellä materiaalin Josephson-pyörteiden ytimien 80–100 nanometrin poikittaista kokoa.

Pituusasteikkojen vastaavuus on tärkeä. Vaikka kukin porras on alle nanometrin korkuinen, se kulkee koko pitkänomaisen pyörteen ytimen poikki ja kytkee viereiset suprajohtavat terassit heikosti toisiinsa Josephson-liitosten rivin tavoin.

Näin tutkijat mittasivat tuhatkertaisen eron

Tutkijat käyttivät ensin pyyhkäisytunnelimikroskopiaa 0,4 kelvinissä vahvistaakseen rinnakkaisen porrasrakenteen, suprajohtavan energiaraon ja pyörteiden esiintymisen portailla. Sen jälkeen he valmistivat kaksi nelinapaista mittausasetelmaa, joissa Lorentzin voima työnsi pyörteitä joko portaiden suuntaisesti tai niiden poikki.

Liikkuvat pyörteet synnyttävät vastusta, joten ryhmä sai sähköisen mitan niiden liikkuvuudesta. Kun näytteitä jäähdytettiin pintaa vastaan kohtisuorassa magneettikentässä, levyvastus laski jyrkästi mutta hyvin eri nopeudella pyörteiden liikesuunnan mukaan. Syntynyt vastuksen anisotropia, joka on verrannollinen liikkuvuuden anisotropiaan, nousi keskivahvoissa kentissä noin tuhanteen.

Mittaukset paljastivat myös useita kuljetustiloja. Suhteellisen korkeissa lämpötiloissa ja heikoissa magneettikentissä lämpöenergia auttoi pyörteitä ryömimään kiinnitysesteiden yli. Kentän voimistaminen pienensi esteitä epätasaisesti. Noin 0,10–0,20 teslan välillä este katosi portaiden suuntaiselta liikkeeltä mutta säilyi poikittaisessa liikkeessä. Näin syntyi tila, jota kirjoittajat kutsuvat yksiulotteiseksi, kiinnityksestä vapaaksi pyörrevirtaukseksi.

Alimmissa mitatuissa lämpötiloissa lämpöaktivaatio ei enää riittänyt selittämään jäljellä olevaa liikettä. Tutkijat päättelivät, että pyörteitä hallitsi sen sijaan kvanttitunnelointi. Tuloksena saatu magneettikentän ja lämpötilan vaihekaavio näyttää alueet, joilla lämpöryömintä, suunnattu vapaa virtaus ja kvanttiliike hallitsevat.

Atomigeometriasta tulee ohjauspinta

Tutkimus jatkaa aiempaa työtä, jossa tutkijat kuvasivat Josephson-pyörteitä suoraan atomiportailla samassa indiumia piillä käyttävässä järjestelmässä. Uusi tulos on kuljetusnäyttö, joka osoittaa, kuinka voimakkaasti nämä portaat hallitsevat pyörteiden liikettä makroskooppisen laitteen läpi.

Tämä on havainnollinen esimerkki siitä, miten yhden mittakaavan geometria hallitsee käyttäytymistä paljon suuremmassa mittakaavassa. Alle nanometrin porras vaikuttaa lähes 100 nanometriä leveään pyörteen ytimeen, ja suunnattu vaikutus näkyy sähkömittauksissa virtareiteillä, joiden pituus mitataan millimetrin murto-osina.

NIMS:n tutkimusyhteenvedon mukaan ohjausvaikutusta voidaan säätää lämpötilalla ja magneettikentällä. Säädettävyys erottaa portaat staattisista rakennevioista ja viittaa siihen, että tarkoituksellisesti kuvioiduista pinnoista voisi tulla suunnittelutyökalu magneettivuon kuljetuksen hallintaan tulevissa erittäin ohuissa suprajohtavissa laitteissa.

Mitä tämä merkitsee ja ei merkitse kvanttiteknologialle

Tulos ei ole uusi kvanttitietokone tai valmis kubittiarkkitehtuuri. Mittaukset tehtiin äärityhjiössä 0,4–4,2 kelvinin lämpötilassa erikoistuneella atomikerrosmateriaalilla, ja kirjoittajat toteavat, että näin voimakkaasti anisotrooppisen järjestelmän määrälliseen analyysiin tarvitaan vielä paremmin soveltuvia teoreettisia kuvauksia.

Tuloksen merkitys on perustavanlaatuisempi. Suprajohtavat piirit edellyttävät tarkasti hallittuja kvanttitiloja, kun taas hallitsematon pyörreliike voi aiheuttaa energiahäviötä ja kohinaa. Pinta, joka ohjaa pyörteitä ennakoitavasti tai pitää ne poissa herkiltä alueilta, voisi ajan mittaan vaikuttaa suprajohtavan elektroniikan, antureiden ja kvanttijärjestelmien komponenttien suunnitteluun.

Koe tarjoaa myös selkeän alustan kaksiulotteisten kvanttifaasisiirtymien tutkimiseen. Kun pyörteiden kuljetus muuttuu kaksiulotteisesta ongelmasta käytännössä yksiulotteiseksi kanavaksi osassa vaihekaaviota, tutkijat saavat uuden tavan testata, miten epäjärjestys, magneettikenttä ja varauksenkuljettajien tiheys muokkaavat suprajohtavia tiloja.

Keskeisin havainto ei siis ole vain se, että atomiportaat voivat kiinnittää pyörteitä. Se on, että tarkoituksellisesti järjestetty pienimpien mahdollisten pintapiirteiden joukko voi vaihtaa vastuksen, ohjatun virtauksen ja kvanttitunneloinnin välillä ulkoisten olosuhteiden muuttuessa. Koko ennakkojulkaisu osoittaa, että kyseessä on hallittu materiaalifysiikan koe, mutta se avaa uskottavan reitin kvanttiliikkeen suunnitteluun pinnasta alkaen.