ขั้นตอนอะตอมชี้นำการไหลของวอร์เทกซ์ควอนตัมได้ง่ายขึ้น 1,000 เท่า

นักวิจัยในญี่ปุ่นได้แสดงให้เห็นว่าขั้นผิวที่สูงเพียงหนึ่งอะตอมสามารถทำหน้าที่เหมือนรางสำหรับวอร์เทกซ์ควอนตัม ทำให้วอร์เทกซ์เคลื่อนที่ได้ง่ายขึ้นประมาณ 1,000 เท่าในทิศทางหนึ่งเมื่อเทียบกับอีกทิศทางหนึ่ง

ผลลัพธ์มาจากซูเปอร์คอนดักเตอร์บางพิเศษที่สร้างจากอินเดียมบนซิลิกอน ใน การศึกษาแบบผ่านการตรวจสอบโดยผู้เชี่ยวชาญที่ตีพิมพ์ใน Physical Review B นักวิจัยจากสถาบันวัสดุศาสตร์แห่งชาติของญี่ปุ่น (NIMS) มหาวิทยาลัยฮอกไกโด สถาบันวิทยาศาสตร์การศึกษาและการวิจัยแห่งชาติของอินเดีย และสถาบันวิทยาศาสตร์โตเกียวได้ทำการวัดการเคลื่อนที่ของ Josephson vortices ทั้งแนวขนานและแนวตั้งต่อแถวขั้นอะตอมที่เป็นระเบียบ

ความแตกต่างเพิ่มขึ้นถึงระดับของ 10³ ที่สนามแม่เหล็กระดับกลาง แทนที่จะเพียงดักจับวอร์เทกซ์—เช่นที่ข้อบกพร่องมักทำในซูเปอร์คอนดักเตอร์—ขั้นเหล่านี้สร้างช่องทางการส่งผ่านที่มีทิศทางสูง ซึ่งพฤติกรรมสามารถปรับได้ด้วยอุณหภูมิและสนามแม่เหล็ก

ทำไมการเคลื่อนที่ของวอร์เทกซ์จึงสำคัญในซูเปอร์คอนดักเตอร์

ซูเปอร์คอนดักเตอร์สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่มีความต้านทานตามปกติเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าค่าความร้อนวิกฤติ อย่างไรก็ตาม ภายใต้สนามแม่เหล็ก แฟลักซ์แม่เหล็กสามารถทะลุผ่านเป็นวนรอบที่มีการไหลของกระแสเป็นควอนตาเรียเรียกว่าวอร์เทกซ์ เมื่อวอร์เทกซ์เหล่านั้นเคลื่อนที่ จะทำให้พลังงานสูญเสียและก่อให้เกิดความต้านทานไฟฟ้า

การควบคุมการเคลื่อนที่ของวอร์เทกซ์จึงเป็นปัญหาหลักในวัสดุซูเปอร์คอนดักเตอร์ วิศวกรรมแบบดั้งเดิมมักพยายามทำให้วอร์เทกซ์หยุดนิ่งด้วยข้อบกพร่องที่เรียกว่าไซต์การยึดเหนี่ยว การทดลองใหม่ได้สำรวจความเป็นไปได้อื่น: การปรับรูปร่างพื้นผิวเพื่อให้วอร์เทกซ์เดินทางได้อย่างง่ายดายในทิศทางหนึ่ง ในขณะที่ถูกขัดขวางอย่างรุนแรงในทิศทางอื่น

ทีมงานใช้ซูเปอร์คอนดักเตอร์ชั้นอะตอม Si(111)-(√7×√3)-In ซึ่งสร้างโดยการปิดผิวซิลิกอนที่มีการเอียงเล็กน้อยด้วยชั้นบิลาเยอร์ของอะตอมอินเดียม การเอียงนี้ทำให้เกิดชั้นระเบียบขนานที่ส่วนใหญ่แยกด้วยขั้นสูง 0.31 นาโนเมตร ขั้นเหล่านี้มีความกว้างเฉลี่ยประมาณ 89 นาโนเมตร ซึ่งใกล้เคียงกับขนาดแนวขวางของแกนของ Josephson vortex ที่มีขนาด 80–100 นาโนเมตรในวัสดุนี้

การจับคู่ของสเกลความยาวนี้มีความสำคัญ แม้ว่าขั้นแต่ละขั้นจะมีความสูงน้อยกว่า 1 นาโนเมตร แต่ก็ตัดผ่านแกนของวอร์เทกซ์ที่ยืดออกทั้งหมดและเชื่อมต่อชั้นซูเปอร์คอนดักเตอร์ที่อยู่ใกล้เคียงอย่างอ่อนโยนคล้ายกับแถวของจอยน์จัน Josephson

วิธีที่นักวิจัยวัดความแตกต่างระดับ 1,000 เท่า

นักวิจัยเริ่มต้นด้วยการใช้กล้องสแกนเทนนัลลิงที่อุณหภูมิ 0.4 เคลวินเพื่อยืนยันโครงสร้างขั้นขนาน ช่องว่างพลังงานของซูเปอร์คอนดักเตอร์ และการมีอยู่ของวอร์เทกซ์ที่ขั้นต่อมา พวกเขาจัดทำการกำหนดค่าการวัดแบบสี่เทอร์มินัลสองแบบ เพื่อให้แรงลอเรนซ์ผลักดันวอร์เทกซ์ให้เคลื่อนที่ตามขั้นหรือข้ามขั้น

การเคลื่อนที่ของวอร์เทกซ์ทำให้เกิดความต้านทาน ซึ่งให้ทีมงานได้มาตรการไฟฟ้าสำหรับความเคลื่อนที่ของพวกมัน เมื่อตัวอย่างเย็นลงภายใต้สนามแม่เหล็กที่ตั้งฉากกับพื้นผิว ความต้านทานแผ่นลดลงอย่างรวดเร็ว—แต่ด้วยอัตราที่แตกต่างอย่างมากขึ้นอยู่กับทิศทางการเคลื่อนที่ของวอร์เทกซ์ ความแปรผันของความต้านทานที่เกิดขึ้นซึ่งสัดส่วนกับความแปรผันของความเคลื่อนที่นั้น สูงประมาณ 1,000 ที่สนามระดับกลาง

การวัดยังเปิดเผยหลายระยะการส่งผ่าน ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูงและสนามแม่เหล็กต่ำ พลังงานความร้อนช่วยให้วอร์เทกซ์เคลื่อนที่ผ่านอุปสรรคการยึดเหนี่ยว การเพิ่มสนามทำให้อุปสรรคเหล่านั้นลดลงอย่างไม่สม่ำเสมอ ระหว่างประมาณ 0.10‑0.20 เทสลา อุปสรรคหายไปสำหรับการเคลื่อนที่แนวขนานกับขั้นในขณะที่ยังคงอยู่สำหรับการเคลื่อนที่ข้ามขั้น ทำให้เกิดการไหลของวอร์เทกซ์แบบหนึ่งมิติที่ไม่มีการยึดเหนี่ยวตามที่ผู้เขียนอธิบาย

ที่อุณหภูมิที่วัดได้ต่ำที่สุด การกระตุ้นด้วยความร้อนไม่เพียงพอที่จะอธิบายการเคลื่อนที่ที่เหลืออยู่ นักวิจัยสรุปว่าการผ่านพ้นควอนตัมเป็นตัวกำหนดการเคลื่อนที่ของวอร์เทกซ์แทน แผนภาพระยะอุณหภูมิ‑สนามแม่เหล็กที่ได้แสดงตำแหน่งที่การไหลแบบความร้อน การไหลอิสระตามทิศทาง และการเคลื่อนที่เชิงควอนตัมเป็นหลัก

เรขาคณิตอะตอมกลายเป็นพื้นผิวควบคุม

การศึกษาได้ต่อยอดจากงานก่อนหน้าที่นักวิจัย ได้ทำการถ่ายภาพโดยตรงของ Josephson vortices ที่ขั้นอะตอมในระบบอินเดียมบนซิลิกอนเดียวกัน ผลงานใหม่เป็นหลักฐานการส่งผ่านที่แสดงให้เห็นว่าขั้นเหล่านั้นควบคุมการเคลื่อนที่ของวอร์เทกซ์ข้ามอุปกรณ์มหภาคได้อย่างเข้มข้นเพียงใด

นี่คือตัวอย่างที่โดดเด่นของเรขาคณิตในระดับหนึ่งที่ควบคุมพฤติกรรมในระดับที่ใหญ่กว่ามาก ขั้นที่มีความสูงน้อยกว่า 1 นาโนเมตรมีอิทธิพลต่อแกนของวอร์เทกซ์ที่กว้างเกือบ 100 นาโนเมตร ในขณะที่ผลของทิศทางปรากฏในการวัดไฟฟ้าบนเส้นทางกระแสที่วัดได้เป็นส่วนของมิลลิเมตร

ตาม สรุปการวิจัยของ NIMS ผลกระทบการชี้นำสามารถปรับได้ผ่านอุณหภูมิและสนามแม่เหล็ก ความสามารถในการปรับนี้ทำให้ขั้นต่างจากข้อบกพร่องโครงสร้างที่คงที่และชี้ให้เห็นว่าพื้นผิวที่ออกแบบลายอย่างตั้งใจอาจกลายเป็นเครื่องมือออกแบบสำหรับการควบคุมการส่งผ่านฟลักซ์แม่เหล็กในอุปกรณ์ซูเปอร์คอนดักเตอร์อัลตราทันท์ในอนาคต

สิ่งที่นี่ทำ—และไม่ได้ทำ—มีความหมายอย่างไรต่อเทคโนโลยีควอนตัม

ผลลัพธ์ไม่ได้หมายถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมใหม่หรือสถาปัตยกรรมคิวบิตสำเร็จรูป การวัดถูกทำในสุญญากาศระดับอัลตร้าฮายเวคระหว่าง 0.4 ถึง 4.2 เคลวินบนวัสดุชั้นอะตอมเฉพาะ และผู้เขียนระบุว่าต้องการคำอธิบายทฤษฎีที่เหมาะสมยิ่งขึ้นเพื่อการวิเคราะห์เชิงปริมาณของระบบที่มีความแอนิซอทรอปิกอย่างแรงนี้

ความสำคัญของมันอยู่ในระดับพื้นฐานมากกว่า วงจรซูเปอร์คอนดักเตอร์ต้องอาศัยการคงสภาพควอนตัมที่ควบคุมอย่างแม่นยำ ในขณะที่การเคลื่อนที่ของวอร์เท็กซ์ที่ไม่ได้ควบคุมอาจทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานและสัญญาณรบกวน พื้นผิวที่สามารถนำทางวอร์เท็กซ์ได้อย่างคาดเดาได้—หรือทำให้วอร์เท็กซ์อยู่ห่างจากพื้นที่ที่อ่อนไหว—อาจในที่สุดช่วยให้การออกแบบอิเล็กทรอนิกส์ซูเปอร์คอนดักเตอร์ เซนเซอร์ และส่วนประกอบที่ใช้ในระบบควอนตัมเป็นไปได้

การทดลองนี้ยังเป็นแพลตฟอร์มที่สะอาดสำหรับศึกษาการเปลี่ยนแปลงเฟสควอนตัมในสองมิติ โดยการลดการขนส่งวอร์เท็กซ์จากปัญหาสองมิติให้เป็นช่องทางเชิงเส้นหนึ่งมิติอย่างมีประสิทธิภาพในส่วนหนึ่งของแผนภาพเฟส นักวิจัยจึงได้วิธีใหม่ในการทดสอบว่าความไม่สมบูรณ์, สนามแม่เหล็กและความหนาแน่นพาหะส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงสถานะซูเปอร์คอนดักเตอร์อย่างไร

ดังนั้นการค้นพบที่สำคัญที่สุดจึงไม่ใช่แค่ขั้นตอนอะตอมสามารถยึดวอร์เท็กซ์ได้ แต่คือการจัดเรียงอาเรย์ของลักษณะพื้นผิวที่เล็กที่สุดอย่างตั้งใจให้สามารถสลับระหว่างการต้านทาน, การไหลที่นำทางและการทะลุควอนตัมตามการเปลี่ยนแปลงของสภาวะภายนอก preprint เต็ม ชี้ให้เห็นว่านี่เป็นการสาธิตด้านวัสดุฟิสิกส์ที่ควบคุมได้ แต่ก็เปิดเส้นทางที่น่าเชื่อถือสู่การออกแบบการเคลื่อนที่ของควอนตัมตั้งแต่พื้นผิวขึ้นมา