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

Течь в Марианской впадине оказалась вчетверо больше, чем ожидалось

Благодаря новым сейсмическим данным геологи выяснили, что за год из впадины утекает в недра Земли свыше ста тонн воды на метр разлома

Марианская впадина находится на  стыке двух тектонических плит — Тихоокеанской и Филиппинской. Тихоокеанская плита медленно движется в сторону Азии и подныривает под Филиппинскую, уходя в глубь низлежащего слоя, мантии. Вместе с собой плита уносит и воду, но точное количество утекающей в глубь планеты жидкости оставалось неясным. Работа исследователей, сотрудников университета штата Вашингтон и университета Стони-Брук в Нью-Йорке, позволила уточнить объемы «марианской течи».
Добавить в закладки
Комментарии

Чтобы получить картину происходящего на глубинах в десятки километров ниже самой глубокой впадины, ученые расставили на дне океана 19 сейсмометров, а еще семь аналогичных устройств разместили на островах; все вместе они регистрировали сейсмические волны, распространяющиеся внутри нашей планеты.

Сейсмические волны возникают как при землетрясениях, так и в ходе различных фоновых процессов, не сопровождающихся значимыми подземными толчками. Наблюдение за их распространением является стандартным методом изучения внутреннего строения планеты уже больше ста лет: именно благодаря отражению волн, расходящихся от землетрясения, в 1897 году немецкий исследователь Иоганн Вихерт обнаружил ядро Земли, а в наши дни «простукивание и прослушивание» недр повсеместно используется для поиска нефти. Точно так же теперь геологи смогли получить гораздо более качественные данные о строении глубинных слоев и точнее оценить содержание воды в увлекаемых внутрь мантии частях коры.

Схема расположения тектонических плит. Как правило, на месте стыков формируются либо горы, либо впадины; также в этих местах часто возникают вулканыUSGS, Bolelav1 / Wikimedia commons

Как оказалось, прошлые исследования давали число примерно в четыре раза меньшее, чем показало новое исследование. [ ... ]

Читать полностью

Квантовые вихри Абрикосова впервые нашли вне сверхпроводников

Лучшее понимание этого явления важно для создания элементной базы квантовых компьютеров будущего.
Добавить в закладки
Комментарии

Ученые из МФТИ и их французские коллеги обнаружили, что характерные для сверхпроводников квантовые вихри сверхтоков, более известные как вихри Абрикосова, также возникают и в обычном, несверхпроводящем металле, если последний находится в хорошем контакте со сверхпроводником. Кроме того, исследователям удалось впервые создать модель, точно описывающую такие наведенные вихри. Соответствующая статья опубликована в Nature Communications. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ.

Сегодня сверхпроводимость активно используются при создании особо мощных электромагнитов для томографов и ускорителей, в опытных линиях электропередачи и поездах на магнитном подвесе, а также в сверхчувствительных датчиках. На их же основе создаются и так называемые искусственные атомы или кубиты — основа будущих квантовых вычислительных систем. Однако создание почти любых сверхпроводниковых устройств требует понимания закономерностей работы не только самого сверхпроводника, но и прилегающего к нему обычного материала.

Известно, что контакт обычного металла со сверхпроводником сильно меняет свойства обоих материалов в сравнительно толстом по меркам микромира слое — на глубину до нескольких сотен нанометров. Металл обретает «сверхпроводящие» свойства, такие как, например, способность пропускать ток без сопротивления. Однако до сих пор оставалось неясно, как конкретно это происходит: могут ли в таком металле существовать квантовые вихри, обеспечивающие сверхпроводимость в самих сверхпроводниках? Квантовым вихрем — а в случае сверхпроводящего тока это вихри Абрикосова — называют вихрь сверхпроводящего тока, циркулирующий вокруг нормального (несверхпроводящего) ядра (нити вихря).

Квантовый вихрь на границе сверхпроводника (Nb) и металла (Cu). Изображение: Елена Хавина (пресс-служба МФТИ)
Квантовый вихрь на границе сверхпроводника (Nb) и металла (Cu). Изображение: Елена Хавина (пресс-служба МФТИ)

[ ... ]
Читать полностью

В Университете ИТМО подчинили свет дефектными наноалмазами

С их помощью физикам удалось создать необычный источник света — с параметрами, которых до сих пор добиться не удавалось.
Добавить в закладки
Комментарии

Физики из Университета ИТМО впервые в мире разработали управляемый источник света на основе наноалмаза. Эксперименты показали, что алмазная оболочка вдвое усиливает интенсивность его излучения и позволяет управлять им без дополнительных нано- и микроструктур. Этого удалось добиться с помощью искусственно созданных дефектов в алмазной кристаллической решетке. Полученные результаты важны для разработки квантовых компьютеров и оптических сетей будущего. Соответствующая статья опубликована в Nanoscale.

Как известно, антенны могут не только принимать фотоны, но и излучать их. Причем в качестве управляемых источников фотонов такие активные диэлектрические антенны почти незаменимы для разработки квантовых компьютеров, оптических сетей связи и систем визуализации. Хорошим кандидатом в такие антенны являются плазмонные металлические наночастицы. Они достаточно компактны, но все же и с ними есть проблемы — оптические потери и нагрев этих частиц. Поэтому в Университете ИТМО активно развивается направление диэлектрической нанофотоники — создаются наноантенны на основе перовскитов и кремния. Теперь там же впервые в мире разработали концепцию активных диэлектрических наноантенн на основе наноалмазов.

Алмазная наночастица. Изображение: пресс-служба Университета ИТМО.

Алмазная наночастица. Изображение: пресс-служба Университета ИТМО.

Наноалмазы — это углеродные наноструктуры с уникальными свойствами. Они обладают достаточно высоким показателем преломления, высокой теплопроводностью и при нормальных условиях почти не взаимодействуют химически с другими веществами. В новой работе ученые использовали наноалмазы с так называемыми центрами азот-вакансии или NV-центрами. Их создают искусственно: при удалении атома углерода из кристаллической решетки образовавшаяся «вакансия» связывается с внедренным атомом азота. Электронным спином такого дефекта (условно — «направлением вращения» частицы вокруг своей оси) легко управлять с помощью света. Поменяв состояние («переключив» спин) с одного на другое (с «ноля» на условную «единицу»), можно записывать или считывать квантовую информацию. [ ... ]

Читать полностью