Правильно сформулированная проблема - уже наполовину решена.

Чарлз Кеттеринг

 

Связь с редакцией
Рассылка новостей

Обнаружен новый физический эффект, который может лечь в основу перспективных квантовых устройств

03.11.2022 12:41

Физики открыли новый тип резонансных осцилляций сверхпроводящего критического тока, связанных с туннелированием между локализованными андреевскими квантовыми уровнями. Обнаружены они в джозефсоновских контактах, изготовленных на основе одиночных нанокристаллов топологических изоляторов. Нанокристаллы оказались перспективными не только для изучения фундаментальных физических процессов в мезоскопических квантовых системах, но и для развития квантовых технологий в целом. Результаты работы представлены в высокорейтинговом международном научном журнале Advanced Quantum Technologies.

Мезоскопические устройства на основе топологических изоляторов - это настоящий научный клондайк, где ученые ищут и до сих пор находят множество новых фундаментальных и прикладных эффектов. Как можно понять уже из названия, материалы такого типа принято относить к изоляторам, или иначе - диэлектрикам либо полупроводникам, не пропускающим через себя электрический ток. Но за одним очень важным исключением: в своем тончайшем поверхностном слое этот материал проводит ток, как металл.

Грубо говоря, можно представить себе топологический изолятор чем-то вроде фрагмента дерева, покрытого с двух сторон медью. Однако в данном случае речь идет не о двух веществах, а об однородном образце одного и того же материала. Причем материала такого, в котором особое квантовое состояние электронов в поверхностном слое делает их не просто переносчиками тока, но "топологически защищенными" переносчиками.

Это свойство обусловлено тем, что данные квантовые состояния электронов чрезвычайно стабильны - в отличие от обычных электронных состояний в металле, здесь они более устойчивы при взаимодействии с атомными дефектами, ступеньками или другими несовершенствами материала.

Учёные из НИТУ МИСИС и МФТИ открыли новый тип резонансных осцилляций сверхпроводящего критического тока в созданном научным коллективом новом джозефсоновском устройстве на основе нанокристалла топологического изолятора.

ы обнаружили новый тип осцилляций критического тока джозефсоновского контакта, состоящего из двух сверхпроводящих ниобиевых электродов, между которыми размещен нанокристалл топологического изолятора Bi2Te2.3Se0.7 гексагональной формы. Осцилляции появляются в температурном диапазоне от 400 до 20 мК (-272,7 °С) и имеют очень необычную остроконечную форму. Период этих осцилляций составляет всего 1 эрстед, что соответствует чрезвычайно малому энергетическому масштабу, примерно 1 мкэВ. Нами было установлено, что наблюдаемый эффект может быть обусловлен резонансным туннелированием андреевских квазичастиц между энергетическими уровнями, образующимися вблизи границ сверхпроводник / топологический изолятор", - рассказал Василий Столяров, руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.

Эксперименты проводились на рефрижераторе растворения BlueFors LD250. Для проведения таких прецизионных исследований был использован разработанный одним из соавторов метод фильтрации электронных и тепловых шумов. По словам разработчиков, широкий диапазон температур, при котором проявляется пикообразная форма осцилляций и их сверхмалый период, являются прямым экспериментальным свидетельством того, что исследованный материал может послужить платформой для реализации квантовых устройств будущего.

очется отметить, что мы первые в мире, кто решил реализовать джозефсоновское устройство на отдельном нанокристалле топологического изолятора, и вот результат. Думаю, за устройствами на таких объектах большое будущее", - добавил Василий Столяров.

Топологическая защищенность электронной подсистемы этого класса материалов может привести к рекордной устойчивости таких устройств к источникам декогерентности, а значит, и более высокой точности вычислений по сравнению с используемыми сейчас физическими принципами в "классических" кубитах.

Следующим этапом исследования, как сообщили соавторы работы, станет совершенствование технологии синтеза нанокристалов, технологии изготовления непосредственных сверхпроводящих устройств, а также изучение того, как эффективно управлять квазичастичными андреевскими уровнями и как реализовать квантовое логическое устройство на их основе.

аш результат имеет очень большое фундаментальное значение, поскольку ранее наличие андреевских уровней в системах с границами сверхпроводник / топологический изолятор не предсказывалось. Также из-за малого энергетического масштаба системы таких уровней невозможно было подумать и о наглядном электронно-транспортном эксперименте. В данном случае стечение обстоятельств позволило нам это сделать", - заключил Василий Столяров.

В работе, кроме ученых Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ и лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС, принимали участие их коллеги из Университета Сорбонна (Париж), Института технологий микроэлектроники РАН, Института физики твердого тела РАН и Университета Твенте (Нидерланды).

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 21-72-00140).

habr.com

Хроника

Адрес редакции: 117997, Москва, Профсоюзная ул., д. 65, оф. 360
Телефон: (926) 212-60-97.
E-mail: info@avtprom.ru или avtprom@ipu.ru

© ООО Издательский дом "ИнфоАвтоматизация", 2003-2022 гг.

Rambler`s Top100 Rambler`s Top100
Рейтинг@Mail.ru
РассылкиSubscribe.Ru
Автоматизация в
промышленности