Các bậc nguyên tử điều khiển vortex lượng tử dễ dàng hơn 1,000 lần

Các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã chứng minh rằng một bậc bề mặt chỉ cao một nguyên tử có thể hoạt động như một ray cho vortex lượng tử, cho phép các vortex di chuyển dễ dàng hơn khoảng 1,000 lần theo một hướng so với hướng còn lại.

Kết quả xuất phát từ một siêu dẫn siêu mỏng được tạo từ indium trên silicon. Trong một nghiên cứu được bình duyệt công bố trong Physical Review B, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản (NIMS), Đại học Hokkaido, Viện Khoa học Giáo dục và Nghiên cứu Quốc gia Ấn Độ, và Viện Khoa học Tokyo đã đo cách các vortex Josephson di chuyển song song và vuông góc với một dãy đều các bậc nguyên tử.

Độ tương phản đạt mức bậc 10³ ở các trường từ tính trung gian. Thay vì chỉ đơn thuần kẹt các vortex—như các khuyết tật thường làm trong siêu dẫn—các bậc đã tạo ra một kênh vận chuyển có tính định hướng cao, mà hành vi có thể được điều chỉnh bằng nhiệt độ và trường từ.

Tại sao chuyển động của vortex lại quan trọng trong siêu dẫn

Một siêu dẫn truyền dòng điện mà không có điện trở thông thường dưới nhiệt độ tới hạn. Tuy nhiên, dưới trường từ, từ thông có thể xâm nhập dưới dạng các xoáy lượng tử của dòng điện tuần hoàn được gọi là vortex. Khi các vortex này di chuyển, chúng tiêu tán năng lượng và tạo ra điện trở.

Do đó, kiểm soát chuyển động của vortex là một vấn đề cốt lõi trong các vật liệu siêu dẫn. Kỹ thuật truyền thống thường cố gắng cố định vortex bằng các khuyết tật được gọi là vị trí cố định (pinning sites). Thí nghiệm mới khám phá một khả năng khác: tạo hình bề mặt sao cho vortex có thể di chuyển dễ dàng theo một hướng trong khi bị cản trở mạnh mẽ ở hướng khác.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng siêu dẫn lớp nguyên tử Si(111)-(√7×√3)-In, được tạo bằng cách phủ một lớp silicon hơi nghiêng bằng các lớp đôi nguyên tử indium. Độ nghiêng tạo ra các tầng song song, phần lớn cách nhau bằng các bậc cao 0.31 nanomet. Các tầng này có độ rộng trung bình khoảng 89 nanomet — gần với kích thước ngang 80–100 nanomet của lõi vortex Josephson trong vật liệu này.

Sự phù hợp về quy mô độ dài này rất quan trọng. Mặc dù mỗi bậc cao dưới một nanomet, nó cắt qua toàn bộ lõi vortex kéo dài và liên kết yếu các tầng siêu dẫn lân cận như một dãy các mối nối Josephson.

Cách các nhà nghiên cứu đo sự khác biệt 1,000 lần

Các nhà nghiên cứu đầu tiên đã sử dụng kính hiển vi dò quét (STM) ở nhiệt độ 0.4 kelvin để xác nhận cấu trúc bậc song song, khoảng cách năng lượng siêu dẫn và sự hiện diện của vortex tại các bậc. Sau đó họ chế tạo hai cấu hình đo bốn đầu mạch sao cho lực Lorentz đẩy vortex hoặc dọc theo các bậc hoặc xuyên qua chúng.

Vortex di chuyển tạo ra điện trở, cung cấp cho nhóm một đo lường điện về tính di động của chúng. Khi các mẫu được làm lạnh dưới trường từ ngoài mặt phẳng, điện trở tờ giảm mạnh—nhưng với tốc độ rất khác nhau tùy theo hướng di chuyển của vortex. Sự bất đối xứng điện trở thu được, tỷ lệ với bất đối xứng tính di động, đạt khoảng 1,000 ở các trường trung gian.

Các phép đo cũng tiết lộ một số chế độ vận chuyển. Ở nhiệt độ tương đối cao và trường từ thấp, năng lượng nhiệt giúp vortex trượt qua các rào cản cố định. Khi tăng trường, các rào cản này giảm không đồng đều. Khoảng từ 0.10 đến 0.20 tesla, rào cản biến mất đối với chuyển động song song với các bậc trong khi vẫn còn tồn tại đối với chuyển động xuyên qua chúng, tạo ra dòng chảy vortex một chiều không có rào cản như các tác giả mô tả.

Ở nhiệt độ đo thấp nhất, kích hoạt nhiệt không còn đủ để giải thích chuyển động còn lại. Các nhà nghiên cứu kết luận rằng hiện tượng xuyên thấu lượng tử chi phối vortex thay vào đó. Sơ đồ pha từ trường–nhiệt độ của họ mô tả nơi mà trượt nhiệt, dòng chảy tự do định hướng và chuyển động lượng tử chiếm ưu thế.

Hình học nguyên tử trở thành bề mặt điều khiển

Nghiên cứu mở rộng công trình trước đây trong đó các nhà nghiên cứu đã trực tiếp ghi lại hình ảnh các vortex Josephson tại các bậc nguyên tử trong cùng hệ thống indium trên silicon. Đóng góp mới là bằng chứng về vận chuyển cho thấy mức độ mạnh mẽ mà các bậc này kiểm soát chuyển động của vortex trên một thiết bị vĩ mô.

Đây là một ví dụ nổi bật về việc hình học ở một quy mô kiểm soát hành vi ở quy mô lớn hơn nhiều. Một bậc dưới một nanomet ảnh hưởng đến lõi vortex gần 100 nanomet, trong khi hiệu ứng định hướng xuất hiện trong các phép đo điện qua các đường dẫn dòng điện được đo ở mức phần nghìn milimet.

Theo tóm tắt nghiên cứu của NIMS, hiệu ứng dẫn hướng có thể được điều chỉnh thông qua nhiệt độ và trường từ. Khả năng điều chỉnh này làm cho các bậc khác biệt so với các khuyết tật cấu trúc tĩnh và gợi ý rằng các bề mặt được thiết kế có chủ đích có thể trở thành công cụ thiết kế để kiểm soát vận chuyển từ thông trong các thiết bị siêu dẫn siêu mỏng trong tương lai.

Ý nghĩa của điều này—cũng như những giới hạn—đối với công nghệ lượng tử

Kết quả không tương đương với một máy tính lượng tử mới hay một kiến trúc qubit sẵn có. Các phép đo được thực hiện trong môi trường chân không siêu cao giữa 0.4 và 4.2 kelvin trên một vật liệu lớp nguyên tử chuyên biệt, và các tác giả lưu ý rằng vẫn cần các mô tả lý thuyết phù hợp hơn để phân tích định lượng hệ thống có độ bất đối xứng mạnh như vậy.

Tầm quan trọng của nó mang tính nền tảng hơn. Các mạch siêu dẫn phụ thuộc vào việc duy trì các trạng thái lượng tử được kiểm soát chính xác, trong khi chuyển động vortex không kiểm soát có thể gây ra tiêu hao và nhiễu. Một bề mặt có khả năng dẫn hướng vortex một cách dự đoán được — hoặc giữ chúng tránh xa các khu vực nhạy cảm — cuối cùng có thể cung cấp thông tin cho việc thiết kế các thiết bị điện tử siêu dẫn, cảm biến và các thành phần được sử dụng trong các hệ thống lượng tử.

Thí nghiệm cũng cung cấp một nền tảng sạch sẽ để nghiên cứu các chuyển pha lượng tử trong hai chiều. Bằng cách giảm việc vận chuyển vortex từ một vấn đề hai chiều xuống một kênh hiệu quả một chiều trên một phần của sơ đồ pha, các nhà nghiên cứu có được một cách mới để kiểm tra cách mà rối loạn, từ trường và mật độ mang điện tái cấu trúc các trạng thái siêu dẫn.

Phát hiện quan trọng nhất do đó không chỉ đơn giản là các bậc nguyên tử có thể giữ vortex. Điều quan trọng là một mảng được tổ chức có chủ đích của các đặc điểm bề mặt nhỏ nhất có thể chuyển đổi giữa điện trở, dòng chảy có hướng và hiện tượng xuyên thấu lượng tử khi các điều kiện bên ngoài thay đổi. bản preprint đầy đủ làm rõ rằng đây là một minh chứng vật liệu‑vật lý được kiểm soát, nhưng nó mở ra một con đường đáng tin cậy hướng tới việc thiết kế chuyển động lượng tử từ bề mặt lên.