Атомные ступени направляют квантовые вихри в 1 000 раз легче

Исследователи из Японии продемонстрировали, что ступень на поверхности высотой в один атом может выступать в качестве рельса для квантовых вихрей, позволяя им перемещаться примерно в 1 000 раз легче в одном направлении, чем в другом.

Результат получен из ультратонкого сверхпроводника, изготовленного из индия на кремнии. В рецензируемом исследовании, опубликованном в Physical Review B исследователи из Национального института материалов Японии (NIMS), Хоккайдского университета, Национального института науки образования и исследований Индии и Института науки Токио измерили, как вихри Джозефсона перемещаются параллельно и перпендикулярно регулярному массиву атомных ступеней.

Контраст достиг порядка 10³ при промежуточных магнитных полях. Вместо простого удержания вихрей — как это часто делают дефекты в сверхпроводниках — ступени создали высоконаправленный транспортный канал, поведение которого можно регулировать температурой и магнитным полем.

Почему движение вихрей важно в сверхпроводнике

Сверхпроводник проводит электрический ток без обычного сопротивления при температуре ниже критической. Однако под действием магнитного поля магнитный поток может проникать в виде квантизированных вихрей тока, называемых вихрями. Когда такие вихри движутся, они рассеивают энергию и вызывают электрическое сопротивление.

Контроль движения вихрей поэтому является центральной задачей в сверхпроводящих материалах. Традиционная инженерия часто пытается фиксировать вихри с помощью дефектов, известных как пиннинговые центры. Новый эксперимент исследует иной подход: формировать поверхность так, чтобы вихри могли свободно перемещаться в одном направлении, оставаясь сильно препятствованными в другом.

Команда использовала атомно-слойный сверхпроводник Si(111)-(√7×√3)-In, полученный покрытием слегка наклонной кремниевой поверхности атомными двойными слоями индия. Наклон создает параллельные террасы, разделённые в основном ступенями высотой 0,31 нм. Ширина этих террас в среднем составляла около 89 нм — близко к поперечному размеру ядра вихря Джозефсона, равному 80–100 нм в данном материале.

Это соответствие масштабов имеет важное значение. Хотя каждая ступень имеет высоту менее одного нанометра, она пересекает всё вытянутое ядро вихря и слабо связывает соседние сверхпроводящие террасы, подобно ряду Джозефсоновских переходов.

Как исследователи измерили различие в 1 000 раз

Исследователи сначала использовали сканирующую туннельную микроскопию при 0,4 К, чтобы подтвердить параллельную структуру ступеней, сверхпроводящий энергетический зазор и наличие вихрей на ступенях. Затем они создали две четырёхконтактные измерительные конфигурации, чтобы сила Лоренца направляла вихри либо вдоль ступеней, либо поперёк них.

Движущиеся вихри генерируют сопротивление, что предоставило команде электрическую оценку их подвижности. По мере охлаждения образцов в магнитном поле, перпендикулярном плоскости образца, сопротивление пленки резко падало — но с очень разными скоростями в зависимости от направления движения вихря. Полученная анизотропия сопротивления, пропорциональная анизотропии подвижности, достигла примерно 1 000 при промежуточных полях.

Измерения также выявили несколько транспортных режимов. При относительно высоких температурах и низких магнитных полях тепловая энергия помогала вихрям ползти через пиннинговые барьеры. При увеличении поля эти барьеры уменьшались неравномерно. При примерно 0,10–0,20 тесла барьер исчезал для движения параллельно ступеням, оставаясь конечным поперёк них, что привело к тому, что авторы описывают одномерный, свободный от пиннинга поток вихрей.

При самых низких измеренных температурах тепловая активация уже не могла объяснить оставшееся движение. Исследователи пришли к выводу, что вместо этого квантовое туннелирование управляет вихрями. Их полученная фазовая диаграмма зависимостей магнитного поля и температуры отображает области, где доминируют термическая ползучесть вихрей, направленный свободный поток и квантовое движение.

Атомная геометрия становится управляющей поверхностью

Исследование расширяет предыдущую работу, в которой исследователи непосредственно зафиксировали вихри Джозефсона на атомных ступенях в той же системе индий‑на‑кремнии. Новый вклад представляет собой транспортные доказательства, демонстрирующие, насколько сильно эти ступени управляют перемещением вихрей в макроскопическом устройстве.

Это яркий пример того, как геометрия на одном масштабе управляет поведением на гораздо большем. Субнанометровая ступень влияет на ядро вихря почти в 100 нанометров, в то время как направленный эффект проявляется в электрических измерениях по токовым путям, измеряемым в долях миллиметра.

Согласно резюме исследования NIMS, направляющий эффект можно регулировать с помощью температуры и магнитного поля. Такая настраиваемость отличает ступени от статических структурных дефектов и указывает на то, что преднамеренно шаблонные поверхности могут стать инструментом проектирования для управления транспортом магнитного потока в будущих ультратонких сверхпроводящих устройствах.

Что это означает — и что не означает — для квантовых технологий

Полученный результат не представляет собой новый квантовый компьютер или готовую архитектуру кубитов. Измерения проводились в ультра-высоком вакууме при температурах от 0,4 до 4,2 Кельвина на специализированном атомном слое материала, и авторы отмечают, что для количественного анализа такой сильно анизотропной системы всё ещё требуются более подходящие теоретические описания.

Её значение более фундаментально. Сверхпроводящие цепи зависят от поддержания точно контролируемых квантовых состояний, тогда как неконтролируемое движение вихрей может вызывать диссипацию и шум. Поверхность, которая предсказуемо направляет вихри (или удерживает их подальше от чувствительных областей), могла бы в конечном итоге повлиять на проектирование сверхпроводящей электроники, датчиков и компонентов, используемых в квантовых системах.

Эксперимент также предоставляет чистую платформу для изучения квантовых фазовых переходов в двух измерениях. Сократив транспорт вихрей с двумерной задачи до эффективно одномерного канала в части фазовой диаграммы, исследователи получают новый способ проверить, как неупорядоченность, магнитное поле и плотность носителей изменяют сверхпроводящие состояния.

Следовательно, самое значимое открытие заключается не просто в том, что атомные ступени могут фиксировать вихри. Дело в том, что преднамеренно организованный массив наименьших возможных поверхностных особенностей может переключаться между сопротивлением, направленным потоком и квантовым туннелированием при изменении внешних условий. полный препринт ясно показывает, что это контролируемая демонстрация в области физики материалов, но открывает правдоподобный путь к инженерии квантового движения, начиная с поверхности.