Дослідники з Центру наноархітектурних матеріалів (MANA), що входить до складу Японського національного інституту матеріалознавства (NIMS), продемонстрували, що виступи заввишки лише в один атом здатні виступати в ролі мікроскопічних «залізничних колій» для квантових вихрів у надпровідниках. За даними опублікованої праці, за певних умов вихрі рухалися уздовж атомарних сходинок більш ніж у 1000 разів легше, ніж поперек них, що відкриває принципово новий підхід до керування квантовою поведінкою в ультратонких матеріалах.
Що таке квантові вихрі й чому вони важливі
Надпровідники — матеріали, які під час охолодження нижче за критичну температуру проводять електричний струм без жодного опору. Ця властивість робить їх надзвичайно привабливими для створення енергоефективної електроніки, потужних магнітів і квантових обчислювальних пристроїв. Однак у надпровідниках під час проникнення магнітного поля виникають крихітні квантові структури — вихрі Джозефсона. Вони є областями, оточеними циркулюючими надпровідними струмами. Коли вихрі починають рух, вони генерують електричний опір, що погіршує характеристики матеріалу. Таким чином, контроль над вихрями стає ключовим завданням для практичного застосування надпровідників.
Експеримент: індій на кремнії та сканувальний тунельний мікроскоп
Дослідники NIMS вивчали атомарно тонкий шар індій, нанесений на кремнієву поверхню Si(111), яка має регулярні сходинки — виступи заввишки рівно один атом. Структуру поверхні та розташування вихрів вчені спостерігали безпосередньо за допомогою сканувального тунельного мікроскопа, що дало змогу отримати прямі візуальні дані про те, як вихрі взаємодіють з атомарною топографією. Різницю в рухливості вихрів уздовж і поперек сходинок оцінювали за результатами вимірювань електричного опору в чотириконтактній схемі.
Режим односпрямованого руху та роль магнітного поля
За індукції магнітного поля в діапазоні приблизно від 0,10 до 0,20 тесла енергетичний бар'єр, що перешкоджає руху вихрів уздовж сходинок, знижувався практично до нуля. У результаті виникав режим односпрямованого руху без закріплення вихрів на дефектах матеріалу: вони вільно переміщувалися уздовж атомарних «рейок», тоді як рух поперек сходинок залишався значно складнішим. Вчені також встановили, що цей ефект можна регулювати, змінюючи температуру або величину магнітного поля, що робить підхід гнучким і потенційно придатним для інженерних завдань.
Квантове тунелювання та перспективи для електроніки майбутнього
За найнижчих температур суттєву роль у русі вихрів починає відігравати квантове тунелювання — проходження частинок крізь енергетичний бар'єр, яке неможливе в межах класичної фізики. Це спостереження становить самостійний інтерес для подальших фундаментальних досліджень. У практичному плані, за оцінкою авторів роботи, для створення робочих пристроїв знадобляться додаткові розробки, проте продемонстрований ефект уже відкриває шлях до керування вихрями у двовимірних і атомарно тонких надпровідниках — матеріалах, які вважаються одними з найперспективніших для електроніки наступного покоління. Успішна реалізація такого контролю може призвести до створення надпровідних пристроїв, що споживають значно менше енергії та ефективніше обробляють інформацію.
