Undakan Atom Mengarahkan Vorteks Kuantum 1.000 Kali Lebih Mudah

Para peneliti di Jepang telah menunjukkan bahwa undakan permukaan setinggi satu atom dapat bertindak seperti rel bagi vorteks kuantum, sehingga vorteks dapat bergerak sekitar 1.000 kali lebih mudah dalam satu arah daripada arah lainnya.

Hasil tersebut berasal dari superkonduktor ultratipis berbahan indium di atas silikon. Dalam studi dengan tinjauan sejawat yang diterbitkan di Physical Review B, para peneliti dari National Institute for Materials Science (NIMS) Jepang, Hokkaido University, National Institute of Science Education and Research India, serta Institute of Science Tokyo mengukur bagaimana vorteks Josephson bergerak sejajar dan tegak lurus terhadap susunan teratur undakan atom.

Perbedaannya mencapai orde 10³ pada medan magnet menengah. Alih-alih sekadar menjebak vorteks seperti yang sering dilakukan cacat pada superkonduktor, undakan tersebut membentuk saluran transportasi yang sangat terarah dan perilakunya dapat disetel menggunakan suhu serta medan magnet.

Mengapa pergerakan vorteks penting dalam superkonduktor

Superkonduktor mengalirkan arus listrik tanpa hambatan biasa di bawah suhu kritis. Namun, di bawah medan magnet, fluks magnet dapat menembus sebagai pusaran terkuantisasi dari arus yang beredar, yang disebut vorteks. Ketika vorteks bergerak, vorteks membuang energi dan menghasilkan hambatan listrik.

Karena itu, mengendalikan pergerakan vorteks merupakan masalah utama dalam material superkonduktor. Rekayasa konvensional sering berupaya menahan vorteks menggunakan cacat yang dikenal sebagai lokasi pinning. Eksperimen baru ini menjajaki kemungkinan lain: membentuk permukaan agar vorteks dapat bergerak dengan mudah dalam satu arah, tetapi tetap sangat terhambat dalam arah lainnya.

Tim menggunakan superkonduktor lapisan atom Si(111)-(√7×√3)-In, yang dibuat dengan menutupi permukaan silikon yang sedikit miring dengan lapisan ganda atom indium. Kemiringan itu membentuk teras-teras sejajar yang sebagian besar dipisahkan oleh undakan setinggi 0,31 nanometer. Lebar rata-rata teras tersebut sekitar 89 nanometer, mendekati ukuran melintang 80–100 nanometer dari inti vorteks Josephson pada material ini.

Kecocokan skala panjang tersebut penting. Walaupun tinggi setiap undakan kurang dari satu nanometer, undakan melintasi seluruh inti vorteks yang memanjang dan menghubungkan teras superkonduktor di sebelahnya secara lemah seperti deretan sambungan Josephson.

Cara peneliti mengukur perbedaan 1.000 kali lipat

Para peneliti terlebih dahulu menggunakan mikroskopi penerowongan pemindaian pada 0,4 kelvin untuk memastikan struktur undakan sejajar, celah energi superkonduktor, dan keberadaan vorteks di undakan. Setelah itu, mereka membuat dua konfigurasi pengukuran empat terminal agar gaya Lorentz mendorong vorteks mengikuti undakan atau melintasinya.

Vorteks yang bergerak menghasilkan hambatan, sehingga tim memperoleh ukuran listrik untuk mobilitasnya. Saat sampel didinginkan di bawah medan magnet yang tegak lurus terhadap permukaan, hambatan lembaran turun tajam, tetapi dengan laju yang sangat berbeda bergantung pada arah pergerakan vorteks. Anisotropi hambatan yang dihasilkan, yang sebanding dengan anisotropi mobilitas, mencapai sekitar 1.000 pada medan menengah.

Pengukuran juga mengungkap beberapa rezim transportasi. Pada suhu relatif tinggi dan medan magnet rendah, energi termal membantu vorteks merayap melewati penghalang pinning. Peningkatan medan mengurangi penghalang tersebut secara tidak merata. Antara sekitar 0,10 dan 0,20 tesla, penghalang bagi gerak yang sejajar dengan undakan menghilang, sedangkan penghalang melintangnya tetap terbatas. Hal ini menghasilkan apa yang disebut para penulis sebagai aliran vorteks satu dimensi tanpa pinning.

Pada suhu terendah yang diukur, aktivasi termal tidak lagi cukup untuk menjelaskan gerak yang tersisa. Para peneliti menyimpulkan bahwa penerowongan kuantum justru mengendalikan vorteks. Diagram fase medan magnet–suhu yang dihasilkan memetakan wilayah tempat rayapan termal, aliran bebas terarah, dan gerak kuantum mendominasi.

Geometri atom menjadi permukaan kendali

Studi ini memperluas penelitian sebelumnya ketika para peneliti mencitrakan vorteks Josephson secara langsung pada undakan atom dalam sistem indium-di-atas-silikon yang sama. Kontribusi barunya adalah bukti transportasi yang menunjukkan seberapa kuat undakan tersebut mengendalikan pergerakan vorteks di seluruh perangkat makroskopis.

Ini merupakan contoh mencolok tentang geometri pada satu skala yang mengendalikan perilaku pada skala yang jauh lebih besar. Undakan di bawah satu nanometer memengaruhi inti vorteks yang lebarnya hampir 100 nanometer, sementara efek terarahnya tampak dalam pengukuran listrik sepanjang jalur arus yang diukur dalam pecahan milimeter.

Menurut ringkasan penelitian NIMS, efek pemandu tersebut dapat disesuaikan melalui suhu dan medan magnet. Kemampuan penyetelan ini membedakan undakan dari cacat struktural statis dan menunjukkan bahwa permukaan yang sengaja diberi pola dapat menjadi alat desain untuk mengendalikan transportasi fluks magnet pada perangkat superkonduktor ultratipis di masa depan.

Makna dan batas hasil ini bagi teknologi kuantum

Hasil ini bukan komputer kuantum baru atau arsitektur qubit yang siap digunakan. Pengukuran dilakukan dalam vakum ultra-tinggi antara 0,4 dan 4,2 kelvin pada material lapisan atom khusus, dan para penulis mencatat bahwa deskripsi teoretis yang lebih tepat masih diperlukan untuk analisis kuantitatif sistem yang sangat anisotropik seperti ini.

Arti pentingnya lebih mendasar. Sirkuit superkonduktor bergantung pada pemeliharaan keadaan kuantum yang dikendalikan secara presisi, sementara pergerakan vorteks yang tidak terkendali dapat menimbulkan disipasi dan derau. Permukaan yang menyalurkan vorteks secara dapat diprediksi, atau menjauhkannya dari area sensitif, pada akhirnya dapat memberi arah bagi desain elektronik superkonduktor, sensor, dan komponen yang digunakan dalam sistem kuantum.

Eksperimen ini juga menawarkan platform yang bersih untuk mempelajari transisi fase kuantum dalam dua dimensi. Dengan mengurangi transportasi vorteks dari masalah dua dimensi menjadi saluran yang secara efektif satu dimensi di sebagian diagram fase, peneliti mendapat cara baru untuk menguji bagaimana ketidakteraturan, medan magnet, dan kerapatan pembawa membentuk ulang keadaan superkonduktor.

Karena itu, temuan paling penting bukan sekadar bahwa undakan atom dapat menahan vorteks. Temuannya adalah bahwa susunan terencana dari fitur permukaan terkecil yang mungkin dapat beralih antara hambatan, aliran terpandu, dan penerowongan kuantum ketika kondisi eksternal berubah. Pracetak lengkap menjelaskan bahwa ini adalah demonstrasi fisika material yang terkendali, tetapi hasilnya membuka jalur yang masuk akal menuju rekayasa gerak kuantum dari permukaan ke atas.