Исследователи из Центра наноархитектурных материалов (MANA), входящего в состав Японского национального института материаловедения (NIMS), продемонстрировали, что выступы высотой всего в один атом способны выступать в роли микроскопических «железнодорожных путей» для квантовых вихрей в сверхпроводниках. По данным опубликованной работы, при определённых условиях вихри двигались вдоль атомарных ступенек более чем в 1000 раз легче, чем поперёк них, что открывает принципиально новый подход к управлению квантовым поведением в ультратонких материалах.
Что такое квантовые вихри и почему они важны
Сверхпроводники — материалы, которые при охлаждении ниже критической температуры проводят электрический ток без какого-либо сопротивления. Это свойство делает их крайне привлекательными для создания энергоэффективной электроники, мощных магнитов и квантовых вычислительных устройств. Однако в сверхпроводниках при проникновении магнитного поля возникают крошечные квантовые структуры — вихри Джозефсона. Они представляют собой области, окружённые циркулирующими сверхпроводящими токами. Когда вихри приходят в движение, они генерируют электрическое сопротивление, что ухудшает характеристики материала. Таким образом, контроль над вихрями становится ключевой задачей для практического применения сверхпроводников.
Эксперимент: индий на кремнии и сканирующий туннельный микроскоп
Исследователи NIMS изучали атомарно тонкий слой индия, нанесённый на кремниевую поверхность Si(111), которая обладает регулярными ступеньками — выступами высотой ровно один атом. Структуру поверхности и расположение вихрей учёные наблюдали непосредственно с помощью сканирующего туннельного микроскопа, что позволило получить прямые визуальные данные о том, как вихри взаимодействуют с атомарной топографией. Разницу в подвижности вихрей вдоль и поперёк ступенек оценивали по результатам измерений электрического сопротивления в четырёхконтактной схеме.
Режим однонаправленного движения и роль магнитного поля
При индукции магнитного поля в диапазоне примерно от 0,10 до 0,20 тесла энергетический барьер, препятствующий движению вихрей вдоль ступенек, снижался практически до нуля. В результате возникал режим однонаправленного движения без закрепления вихрей на дефектах материала: они свободно перемещались вдоль атомарных «рельсов», тогда как движение поперёк ступенек оставалось значительно более затруднённым. Учёные также установили, что этот эффект можно регулировать, изменяя температуру или величину магнитного поля, что делает подход гибким и потенциально пригодным для инженерных задач.
Квантовое туннелирование и перспективы для электроники будущего
При самых низких температурах существенную роль в движении вихрей начинает играть квантовое туннелирование — прохождение частиц через энергетический барьер, которое невозможно в рамках классической физики. Это наблюдение представляет самостоятельный интерес для дальнейших фундаментальных исследований. В практическом плане, по оценке авторов работы, для создания рабочих устройств потребуются дополнительные разработки, однако продемонстрированный эффект уже открывает путь к управлению вихрями в двумерных и атомарно тонких сверхпроводниках — материалах, которые считаются одними из самых перспективных для электроники следующего поколения. Успешная реализация такого контроля может привести к созданию сверхпроводящих устройств, потребляющих значительно меньше энергии и более эффективно обрабатывающих информацию.
