Atomaire treden sturen kwantumwervels 1.000 keer gemakkelijker

Onderzoekers in Japan hebben aangetoond dat een oppervlaktetrede van slechts één atoom hoog als een rail voor kwantumwervels kan werken, waardoor de wervels in de ene richting ongeveer 1.000 keer gemakkelijker bewegen dan in de andere.

Het resultaat komt van een ultradunne supergeleider van indium op silicium. In een peerreviewde studie in Physical Review B maten onderzoekers van het Japanse National Institute for Materials Science (NIMS), Hokkaido University, het Indiase National Institute of Science Education and Research en het Institute of Science Tokyo hoe Josephson-wervels parallel en loodrecht op een regelmatige reeks atomaire treden bewogen.

Het verschil bereikte bij middelsterke magnetische velden de orde van 10³. In plaats van de wervels alleen vast te houden, zoals defecten in supergeleiders vaak doen, vormden de treden een sterk richtinggebonden transportkanaal waarvan het gedrag met temperatuur en magnetisch veld kon worden afgestemd.

Waarom wervelbeweging in een supergeleider belangrijk is

Onder een kritieke temperatuur geleidt een supergeleider elektrische stroom zonder gewone weerstand. In een magnetisch veld kan magnetische flux echter binnendringen als gekwantiseerde draaikolken van circulerende stroom, die wervels worden genoemd. Wanneer die wervels bewegen, dissiperen ze energie en veroorzaken ze elektrische weerstand.

Het beheersen van wervelbeweging is daarom een centraal probleem bij supergeleidende materialen. Traditionele techniek probeert wervels vaak te immobiliseren met defecten die pinningplaatsen worden genoemd. Het nieuwe experiment onderzoekt een andere mogelijkheid: het oppervlak zo vormgeven dat wervels gemakkelijk in één richting bewegen, maar sterk worden gehinderd in de andere.

Het team gebruikte de atoomlaagsupergeleider Si(111)-(√7×√3)-In, die ontstaat door een licht gekanteld siliciumoppervlak te bedekken met atomaire dubbellagen indium. De helling vormt parallelle terrassen die hoofdzakelijk door treden van 0,31 nanometer hoog worden gescheiden. Die terrassen waren gemiddeld ongeveer 89 nanometer breed, dicht bij de dwarse afmeting van 80–100 nanometer van de Josephson-wervelkernen in dit materiaal.

Deze overeenkomst tussen de lengteschalen is belangrijk. Hoewel elke trede minder dan een nanometer hoog is, loopt zij door de volledige langgerekte wervelkern en koppelt zij aangrenzende supergeleidende terrassen zwak aan elkaar, als een rij Josephson-overgangen.

Hoe de onderzoekers een duizendvoudig verschil maten

De onderzoekers gebruikten eerst scanningtunnelmicroscopie bij 0,4 kelvin om de parallelle tredenstructuur, de supergeleidende energiekloof en de aanwezigheid van wervels bij de treden te bevestigen. Vervolgens maakten ze twee vierpuntsmeetconfiguraties, zodat de Lorentzkracht de wervels langs de treden of dwars eroverheen kon duwen.

Bewegende wervels veroorzaken weerstand, wat het team een elektrische maat voor hun mobiliteit gaf. Toen de monsters onder een magnetisch veld loodrecht op het oppervlak afkoelden, daalde de plaatweerstand sterk, maar met zeer verschillende snelheden afhankelijk van de bewegingsrichting van de wervels. De resulterende weerstandsanisotropie, die evenredig is aan de mobiliteitsanisotropie, bereikte bij middelsterke velden ongeveer 1.000.

De metingen brachten ook verschillende transportregimes aan het licht. Bij relatief hoge temperaturen en zwakke magnetische velden hielp thermische energie de wervels langzaam over pinningbarrières te kruipen. Een sterker veld verlaagde die barrières ongelijkmatig. Tussen ongeveer 0,10 en 0,20 tesla verdween de barrière voor beweging evenwijdig aan de treden, terwijl zij dwars erop eindig bleef. Daardoor ontstond wat de auteurs beschrijven als eendimensionale wervelstroming zonder pinning.

Bij de laagst gemeten temperaturen was thermische activering niet langer voldoende om de resterende beweging te verklaren. De onderzoekers concludeerden dat kwantumtunneling de wervels in plaats daarvan beheerste. Het resulterende fasediagram van magnetisch veld en temperatuur laat zien waar thermische kruip, richtinggebonden vrije stroming en kwantumbeweging overheersen.

Atomaire geometrie wordt een regeloppervlak

De studie bouwt voort op eerder werk waarin onderzoekers Josephson-wervels bij atomaire treden in hetzelfde indium-op-siliciumsysteem rechtstreeks in beeld brachten. De nieuwe bijdrage bestaat uit transportgegevens die laten zien hoe sterk deze treden de wervelbeweging door een macroscopisch apparaat bepalen.

Dit is een treffend voorbeeld van geometrie op de ene schaal die gedrag op een veel grotere schaal beheerst. Een trede van minder dan een nanometer beïnvloedt een wervelkern van bijna 100 nanometer breed, terwijl het richtinggebonden effect verschijnt in elektrische metingen over stroompaden die in fracties van een millimeter worden gemeten.

Volgens de onderzoekssamenvatting van NIMS kan het geleidingseffect met temperatuur en magnetisch veld worden aangepast. Die regelbaarheid onderscheidt de treden van statische structurele defecten en wijst erop dat bewust van patronen voorziene oppervlakken een ontwerpmiddel kunnen worden om het transport van magnetische flux in toekomstige ultradunne supergeleidende apparaten te beheersen.

Wat dit wel en niet betekent voor kwantumtechnologie

Het resultaat is geen nieuwe kwantumcomputer of kant-en-klare qubitarchitectuur. De metingen zijn in ultrahoog vacuüm tussen 0,4 en 4,2 kelvin uitgevoerd op een gespecialiseerd atoomlaagmateriaal, en de auteurs merken op dat nog beter passende theoretische beschrijvingen nodig zijn voor een kwantitatieve analyse van zo’n sterk anisotroop systeem.

Het belang is fundamenteler. Supergeleidende circuits zijn afhankelijk van nauwkeurig beheerste kwantumtoestanden, terwijl ongecontroleerde wervelbeweging dissipatie en ruis kan veroorzaken. Een oppervlak dat wervels voorspelbaar kanaliseert of uit de buurt van gevoelige gebieden houdt, zou uiteindelijk richting kunnen geven aan het ontwerp van supergeleidende elektronica, sensoren en componenten voor kwantumsystemen.

Het experiment biedt ook een schoon platform voor het bestuderen van kwantumfaseovergangen in twee dimensies. Door werveltransport in een deel van het fasediagram van een tweedimensionaal probleem terug te brengen tot een effectief eendimensionaal kanaal, krijgen onderzoekers een nieuwe manier om te testen hoe wanorde, magnetisch veld en ladingsdragerdichtheid supergeleidende toestanden hervormen.

De belangrijkste bevinding is daarom niet alleen dat atomaire treden wervels kunnen vastzetten. Het is dat een bewust geordende reeks van de kleinst mogelijke oppervlaktekenmerken tussen weerstand, geleide stroming en kwantumtunneling kan schakelen wanneer de externe omstandigheden veranderen. De volledige preprint maakt duidelijk dat dit een gecontroleerde demonstratie uit de materiaalfysica is, maar opent een geloofwaardige route om kwantumbeweging vanaf het oppervlak te ontwerpen.