Учёные приручили вихри Джозефсона
Физики из МФТИ показали возможность локального управления Джозефсоновскими вихрями. Открытие может быть востребовано в сверхпроводящих устройствах квантовой электроники, в будущих квантовых процессорах. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Джозефсоновский вихрь — это вихрь токов, возникающий в системе из двух сверхпроводников, разделённых слабой связью (диэлектриком, нормальным металлом и др.) в присутствии внешнего магнитного поля. В 1962 году Джозефсон предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой изолятора, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток назвали джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом. Между двумя сверхпроводниками через диэлектрик или металл, не являющийся сверхпроводником, образуется связь, называемая слабой, и устанавливается макроскопическая квантовая когерентность. Когда эту систему помещают в магнитное поле, сверхпроводники магнитное поле выталкивают. Чем большее магнитное поле прикладывается, тем больше сверхпроводимость сопротивляется проникновению магнитного поля в джозефсоновскую систему. Однако слабая связь — это место, в которое поле может проникнуть в виде отдельных джозефсоновских вихрей, несущих квант магнитного потока. Вихри Джозефсона часто рассматриваются как настоящие топологические объекты, 2π-фазовые сингулярности, наблюдение и манипулирование которыми достаточно сложно.
Учёные из лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ решили применить магнитно-силовой микроскоп (МСМ) для изучения джозефсоновских вихрей в системе из двух сверхпроводящих контактов из ниобия и прослойки из меди (Nb/Cu/Nb), играющей роль слабой связи.
Василий Столяров, ведущий научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ говорит: «Мы показали, что в планарных (плоских) контактах «сверхпроводник — нормальный металл — сверхпроводник» джозефсоновские вихри имеют своеобразный отпечаток. Он был обнаружен при проведении магнитно-силовой микроскопии таких структур. Основываясь на этом открытии, мы продемонстрировали возможность локальной генерации джозефсоновского вихря и манипулирования им магнитным кантилевером микроскопа. Наше исследование — это ещё один шаг к созданию будущих сверхпроводящих квантовых вычислителей».
Разнообразие сверхчувствительных сверхпроводящих устройств, кубитов и архитектур для квантовых вычислений быстро растёт. Ожидается, что устройства сверхпроводящей квантовой электроники в ближайшем будущем бросят вызов обычным полупроводниковым устройствам. Джозефсоновские контакты являются строительными блоками подобных устройств.
Василий Столяров добавляет: «Визуализировать джозефсоновские вихри достаточно сложно, поскольку они плохо локализованы. Мы нашли способ измерять диссипацию, возникающую при рождении/уничтожении такого вихря в области слабой связи. Диссипация — это небольшое выделение энергии. В нашем случае выделение энергии происходит при движении вихря в планарном джозефсоновском контакте. Таким образом, при помощи нашего магнитно-силового микроскопа мы хорошо детектируем не только статический магнитный портрет сверхпроводящей структуры, но и динамические процессы в ней».
Авторы работы показали способ дистанционной генерации, детектирования и манипулирования джозефсоновскими вихрями в планарных джозефсоновских переходах с использованием низкотемпературного магнитно-силового микроскопа.
При определённых параметрах (местоположение зонда, температура, внешнее магнитное поле, электрический ток через образец) учёные наблюдали особый отклик кантилевера микроскопа. Это сопровождалось появлением резких колец/дуг на изображениях.
Исследователи идентифицировали эти особенности как точки бифуркации между соседними джозефсоновскими состояниями, характеризующиеся различным числом или положением джозефсоновских вихрей внутри перехода. Процесс сопровождается обменом энергии кантилевера с образцом в точках бифуркации и демонстрирует, что магнитно-силовой микроскоп может предоставить уникальную информацию о состоянии вихря Джозефсона.
Ожидается, что результаты работы послужат толчком для разработки новых, основанных на открытии авторов методов локальной бесконтактной диагностики и управления современными сверхпроводящими устройствами и сверхпроводниковой квантовой электроникой.