Текст уведомления здесь

«Грязная сверхпроводимость» защитит биты квантовых компьютеров

До сих пор природа этого важного феномена оставалась неясной.
Добавить в закладки
Комментарии

Международная группа физиков во главе с Михаилом Фейгельманом из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау объяснила поведение «грязных» сверхпроводников при низких температурах в присутствии магнитного поля. Понимание подобных процессов позволит использовать их для создания эффективных кубитов (квантовых битов) — «кирпичиков» перспективных квантовых компьютеров. Соответствующая статья опубликована в Nature Physics.

Классическая теория сверхпроводимости неплохо предсказывает, как ведут себя сверхпроводники в магнитном поле. Если поле слабое, сверхпроводник «выталкивает» его линии из своего объема (эффект Мейснера), а если оно становится сильнее определенного уровня, то его линии все же проникнут в материал, а сверхпроводящие свойства при этом мгновенно пропадут. Это так называемое критическое магнитное поле, и чем ниже температура, тем сильнее оно должно быть. Однако при очень сильном охлаждении (до 20 процентов от критической температуры наступления сверхпроводимости в материале и ниже) эта закономерность исчезает — критическое магнитное поле внезапно перестает зависеть от температуры.

Однако есть класс материалов (сплавов и металлов), у которых так сильно нарушена кристаллическая решетка, что они практически аморфны, лишены внутренней упорядоченной структуры. Там сила критического магнитного поля увеличивается по мере падения температуры, и момент его «отвязки» от нее не наступает. Известно это очень давно, но причины феномена всегда оставались неясными.

Авторы новой работы попытались разобраться в них. Для этого они измерили в «грязных» материалах еще один важнейший параметр сверхпроводников — критический ток, или максимальное значение незатухающего тока, который может протекать в сверхпроводнике без потерь энергии на тепловое рассеяние, то есть при сохранении картины полной сверхпроводимости. Если критический ток достигнут или превышен, вещество теряет сверхпроводящие свойства, в нем появляется электрическое сопротивление.

Исследователи измерили, как критический ток в сверхпроводящей пленке из оксида индия зависит от величины приложенного к нему магнитного поля. Ученые пропускали ток через пленку, находящуюся в магнитном поле, значение которого было чуть меньше критического, и наблюдали, при каком значении тока в образце разрушается состояние сверхпроводимости. Подобные эксперименты проводились и раньше. Уникальность новой работы в том, что зависимость максимального сверхпроводящего тока от магнитного поля в «очень грязных» сверхпроводниках была измерена при магнитных полях, близких к критическим, и очень низких температурах.

В результате оказалось, что критический уровень тока зависит от того, насколько сила магнитного поля близка к критическому значению. Зависимость эта оказалась степенной, причем степень равна 3/2. Кроме того, ученые определили, как критическое поле в пленке оксида индия зависит от ее температуры.

«Глядя на результаты этих двух экспериментов, мы смогли понять, как они взаимосвязаны, — рассказывает Михаил Фейгельман. — Стабильное повышение критического магнитного поля при низких температурах в „очень грязных“ сверхпроводниках происходит из-за того, что в сверхпроводящем состоянии, которое реализуется в сильном магнитном поле, существуют тепловые флуктуации так называемых абрикосовских вихрей (квантовые вихри сверхтока, появляющиеся в сверхпроводниках под воздействием внешнего магнитного поля). И мы нашли способ, как описать эти флуктуации». Предсказания созданной авторами теории хорошо описывают полученные экспериментальные данные.

«Очень грязные» сверхпроводники до охлаждения являются слабыми диэлектриками и при охлаждении проводят ток все хуже и хуже. Но по достижении некой критической температуры они скачкообразно превращаются в сверхпроводники. Это достаточно необычное сочетание качеств — обычно электрическое сопротивление меняется более плавно. Именно поэтому неупорядоченные сверхпроводники рассматривают как материал для изоляции от всевозможных внешних помех сверхпроводящих квантовых битов — элементной базы квантового компьютера.

Удобнее всего «отключить» их от внешнего мира при помощи материалов с очень высокой индуктивностью. Чем она больше, тем слабее внешние помехи разрушают квантовую когерентность в квантовых битах. Индуктивность вещества повышается при уменьшении в нем плотности проводящих элементов, то есть в случае сверхпроводников — чем более они «грязные». Ранее вовлекать подобные материалы в изоляцию кубитов мешало то, что полноценного объяснения поведению грязных сверхпроводников при низких температурах не было. После выхода новой работы ситуация изменилась, и перспективы практического применения столь экзотических материалов стали заметно ближе к реальности.

Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Ученые МФТИ нашли у важного рецептора длинный карман

Белок Frizzled 4 довольно сильно отличается по структуре от своих «коллег».
Добавить в закладки
Комментарии

Исследователи из Московского физико-технического института совместно с коллегами из Китая и США расшифровали кристаллическую структуру белка Frizzled 4 (FZD4), играющего важную роль в эмбриональном развитии ушей и глаз. Информация о структуре этого белка поможет подобрать вещества, влияющие на его активность и способные лечь в основу препаратов, лечащих связанные с Frizzled 4 нарушения развития. Об этом сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию. Научная статья опубликована в журнале Nature.

Белки — это крупные молекулы из сотен, тысяч или даже десятков тысяч аминокислот, поэтому они «сворачиваются» в сложные трехмерные структуры. Зачастую даже небольшое изменение в форме такой структуры (конформации) ведет к существенному сдвигу возможностей и функций молекулы. Поэтому важно знать изначальную, «нормальную» трехмерную конформацию белков. Ее устанавливают с помощью методов рентгеновской кристаллографии. Нужную молекулу быстро замораживают, превращая в кристалл, и уже его «просвечивают», чтобы определить в нем положение различных атомов друг относительно друга.

Как правило, для стабилизации кристалла белка его связывают с какой-нибудь небольшой молекулой — лигандом. Однако в случае Frizzled 4 этого удалось избежать. Помогла программа CompoMug, созданная ранее частью коллектива авторов новой статьи. С помощью нее исследователи выявили аминокислоты в составе FZD4, играющие ключевую роль в поддержании обычной конформации этого белка. Для этого аминокислотный состав Frizzled 4 сравнили с таковым для близкого по строению и функциям белка SMO (Smoothened). Найденные аминокислоты-«столпы» заменили на способные дать еще большую стабильность, после чего получить кристалл FZD4 удалось без связывания с ним дополнительных молекул.

Frizzled, Smoothened и другие родственные им белки относятся к классу GPCR — G-protein-coupled-receptors, рецепторов, связанных с G-белками. Они подобно штопальным ниткам пронизывают мембраны клеток животных по нескольку раз. Наружными частями GPCR могут связываться с внеклеточными сигнальными веществами, и, когда это происходит, их конформация изменяется и сигнал передается в клетку на G-белок. Рентгеновская кристаллография FZD4 показала, что между частями этого белка, пронизывающими мембрану («стежками»), у него находится длинный гидрофильный карман, куда могут попадать небольшие водорастворимые молекулы. Строение этого кармана у Frizzled 4 отличается от такового у Smoothened и других близкородственных GPCR. Возможно, именно это было причиной, по которой потенциальные лекарства против болезней, вызванных неправильной конформацией FZD4, не работали. [ ... ]

Читать полностью

Премия имени Георгия Гамова присуждена физику Андрею Линде и биологу Евгению Кунину

Ее вручают самым выдающимся ученым из русской диаспоры за рубежом.
Добавить в закладки
Комментарии

Премия имени Георгия Гамова, учрежденная Российско-американской ассоциацией ученых, в 2018 году присуждена Евгению Кунину за фундаментальный вклад в развитие эволюционной биологии и Андрею Линде за разработку инфляционной модели Вселенной. Премия вручается ежегодно членам русскоязычной научной диаспоры, работающим в Америке, за выдающийся вклад в мировую науку. Она названа в честь Георгия Гамова — великого физика и популяризатора науки, работавшего в СССР и США.

«Гамов — совершенно удивительная, блистательная фигура. Поистине, творческий гений, серьезно недооцененный, внесший громадный вклад в несколько разных областей физики, да и удивительным образом — в биологию, а также непревзойденный популяризатор. Если думать о великом ученом, символизирующем науку без границ, лучшего кандидата не найти», — сказал Евгений Кунин, узнав о присуждении премии.

Кунин — руководитель группы эволюционной геномики Национальной библиотеки медицины США (The United States National Library of Medicine) Национальных институтов здравоохранения США (The National Institutes of Health), Линде — профессор физики Стэнфордского университета. Оба они — выпускники МГУ им. М.В. Ломоносова и члены Национальной академии наук США (The National Academy of Sciences).

Евгений Кунин — самый цитируемый ученый постсоветского пространства. Сфера его научных интересов — генетика бактерий и вирусов, изучение их иммунитета. Андрей Линде — один из самых титулованных ученых российского происхождения: он получил, в частности, медаль Оскара Клейна (2001), медаль Дирака (2002), премию Грубера по космологии (2004), Премию по фундаментальной физике (Fundamental Physics Prize), учрежденную Юрием Мильнером, (2012), а также премию Кавли (2014). Его наиболее известное научное достижение — разработка новой инфляционной модели Вселенной (хаотическая теория инфляции) в 1982 году. [ ... ]

Читать полностью

В Сколтехе из дырявых нанотрубок сделали болометр

Теперь его передадут астрономам для изучения процессов образования звезд.
Добавить в закладки
Комментарии

Химики из Сколковского института науки и технологий и НИТУ МИСиС совместно с коллегами из Финляндии разработали новый прибор для улавливания электромагнитного излучения. В его основе детектор из обработанных для повышения чувствительности кислородом углеродных нанотрубок. Статья с результатами работы опубликована в журнале Nanoscale.

Болометром называют прибор для измерения мощности электромагнитного излучения. Датчики болометров изготавливают из материалов, электрическое сопротивление которых очень чувствительно к изменению температуры. Когда материал поглощает электромагнитную энергию, он нагревается и его сопротивление повышается.

Конструкции современных болометров делают их пригодными для улавливания электромагнитного излучения в широком диапазоне — ультрафиолетового, видимого, инфракрасного. Впрочем, для большинства диапазонов есть более простые и удобные методы, например термопары, фотовольтаические полупроводниковые детекторы и т.д. Поэтому в основном болометры применяют для улавливания так называемого субмиллиметрового излучения, которое приходит из космоса. Так называют излучение с длиной волны от 1 микрометра до 1 миллиметра. Оно лежит на шкале энергии между инфракрасным и микроволновым излучением. Изучение такого излучения очень важно в астрономии: с его помощью ученые исследуют образование звезд, вычисляя состав различных молекулярных облаков и ядер темных туманностей вокруг новой звезды.

Углеродные нанотрубки — цилиндры, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку графеновых плоскостей, — уже использовались ранее в детекторах болометров. Сейчас ученые работают над улучшением их характеристик: быстроты реакции и чувствительности. [ ... ]

Читать полностью