Nowe badanie przeprowadzone przez KTH Royal Institute of Technology i Uniwersytet Stanforda zmienia nasze rozumienie wirów kwantowych w nadprzewodnikach. Na zdjęciu artysta przedstawiający wiry kwantowe. Źródło: Greg Stewart, Narodowe Laboratorium Akceleratora SLAC
Naukowcy na nowo zdefiniowali nasze rozumienie wirów kwantowych w nadprzewodnikach, pokazując, że mogą one zawierać częściowy strumień kwantowy, w przeciwieństwie do poprzednich teorii. To przełomowe odkrycie, obejmujące manipulację wirami kwantowymi, otwiera nowe potencjalne zastosowania w nadprzewodzącej elektronice i informatyce.
Wewnątrz nadprzewodników mogą wystąpić małe tornada elektronów, znane jako wiry kwantowe, co ma ważne implikacje dla zastosowań nadprzewodzących, takich jak czujniki kwantowe. Odkryto nowy typ nadprzewodzącego wiru – informuje międzynarodowy zespół naukowców.
Egor Babaev, profesor z Królewskiego Instytutu Technologii KTH w Sztokholmie, mówi, że badanie stanowi przegląd dominującej wiedzy na temat przepływu elektronów w nadprzewodnikach, w oparciu o prace nad wirami kwantowymi, które zostały uhonorowane Nagrodą Nobla w 2003 r. Naukowcy z KTH wraz z Wraz z naukowcami z Uniwersytetu Stanforda, TD Lee Institute w Szanghaju i AIST w Tsukubie pokazują, że strumień magnetyczny generowany przez wiry w nadprzewodniku można podzielić na szerszy zakres wartości niż oczekiwano.
Stanowi to nowy wgląd w podstawy nadprzewodnictwa i może być również zastosowane w elektronice nadprzewodzącej.
Wir strumienia magnetycznego występuje, gdy zewnętrzne pole magnetyczne jest przyłożone do nadprzewodnika. Pole magnetyczne przenika nadprzewodnik w postaci kwantowych rur strumienia magnetycznego, które tworzą wiry. Pierwotnie, jak mówi Babayev, badania potwierdziły, że wiry kwantowe przechodzą przez nadprzewodniki, z których każdy przenosi pojedynczy kwant strumienia magnetycznego. Ale arbitralne ułamki strumienia kwantowego nie były możliwe, jakie stwarzały poprzednie teorie nadprzewodnictwa.
Wykorzystując nadprzewodzące urządzenie do interferencji kwantowej (SQUID) na Uniwersytecie Stanforda, współautorzy Yosuke Iguchi i profesor Kathryn A. Mueller wykazali na poziomie mikroskopowym, że wiry kwantowe mogą istnieć w pojedynczym paśmie elektronowym. Zespół był w stanie stworzyć i poruszać się przez te fraktalne wiry kwantowe, mówi Muller.
„Profesor Babaev powiedział mi wiele lat temu, że możemy zobaczyć coś takiego, ale nie wierzyłam w to, dopóki dr Iguchi nie zobaczył tego i nie przeprowadził szeregu szczegółowych badań” – mówi.
Naukowcy ze Stanford stwierdzili, że początkowa obserwacja tego zjawiska była „niewiarygodnie rzadka”, mówi Iguchi, do tego stopnia, że powtórzyli eksperyment 75 razy w różnych miejscach i temperaturach.
Praca potwierdza prognozę opublikowaną przez Babayeva 20 lat temu, według której w pewnych typach kryształów jedna część grupy elektronów materiału nadprzewodzącego może tworzyć wir zgodny z ruchem wskazówek zegara, podczas gdy inne elektrony mogą tworzyć wir zgodny z ruchem wskazówek zegara w jednym czasie. „W połączeniu te huragany kwantowe mogą przenosić dowolny ułamek ilości strumienia” – mówi.
„To zmienia nasze rozumienie wirów kwantowych w nadprzewodnikach” – mówi.
Mueller potwierdził ten wniosek. „Od ponad 25 lat przyglądam się wirom w nowych nadprzewodnikach i nigdy wcześniej nie widziałam czegoś takiego” – mówi.
Moc i sterowalność wirów kwantowych, mówi Babayev, sugeruje, że wiry kwantowe mogą być wykorzystywane jako nośniki informacji w komputerach nadprzewodzących.
„Wiedza, którą zdobywamy, oraz wspaniałe metody zaprezentowane przez naszych kolegów, dr Iguchi i profesora Mollera z Uniwersytetu Stanforda, mogą być przydatne w dłuższej perspektywie dla niektórych platform do obliczeń kwantowych” – mówi Babayev.
Odniesienie: „Wiry nadprzewodzące przenoszące zależną od temperatury część wielkości przepływu” Yosuke Iguchi i Robby A. Mueller, 1 czerwca 2023, dostępne tutaj. Nauki.
DOI: 10.1126/science.abp9979