Fysikere manipulerer Abrikosov-hvirvler

En nanofotonikgruppe ledet af prof. Brahim Lounis fra University of Bordeaux, inklusive videnskabsmænd fra MIPT, har udført et unikt eksperiment, der involverer optisk manipulation af individuelle Abrikosov -hvirvler i en superleder. I deres artikel offentliggjort i Naturkommunikation , forskerne nævner muligheden for at designe nye logiske enheder baseret på kvanteprincipper til brug i supercomputere.

Fænomenet superledelse, eller nul elektrisk modstand, forekommer i visse materialer i temperaturområdet fra −273 til −70 grader Celsius. Når et materiale går over i den superledende tilstand, de magnetiske fluxfelter udvises fra dets volumen. En superleder har enten alle magnetiske feltlinjer skubbet ud fra dens indre eller tillader delvis penetration af magnetfeltet.

Fænomenet med delvis penetration blev forklaret i 1957 af Alexei Abrikosov, hvortil han blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2003. Et materiale, der ikke udviser fuldstændig magnetfeltudvisning, omtales som en type-II-superleder. Abrikosov demonstrerede også, at disse superledere kun kan penetreres af diskrete magnetiske fluxenheder, en magnetisk flux -kvante ad gangen. Efterhånden som feltet inden for en superleder vokser sig stærkere, det giver anledning til de cylindriske strømsløjfer kendt som Abrikosov -hvirvler.

"Type II superledere bruges overalt, fra medicin til energi og andre industrier. Deres egenskaber bestemmes af 'hvirvelstof, 'som gør forskning i hvirvler og at finde måder at manipulere dem meget vigtig for moderne fysik, "siger Ivan Veshchunov, en af ​​forfatterne til undersøgelsen og en forsker ved Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems ved MIPT.

For at manipulere Abrikosov virvler, forskerne brugte en fokuseret laserstråle. Denne form for optisk hvirvelkontrol er muliggjort af hvirvelernes tendens til at blive tiltrukket mod regionerne med højere temperatur i en superleder (i dette tilfælde, en niobiumfilm afkølet til -268 grader Celsius). De nødvendige hotspots kan oprettes ved at opvarme materialet med en laser. Imidlertid, det er afgørende at indstille den rigtige lasereffekt, da overophedning ødelægger materialet dets superledende egenskaber.

Fordi hvirvlerne fungerer som magnetiske fluxkvanter, de kan bruges til at forme den overordnede magnetiske fluxprofil, gør fysikere i stand til at udføre forskellige eksperimenter med superledere. Mens en trekantet hvirvelgitter forekommer naturligt i visse magnetfelter, andre typer gitter (og enheder som hvirvellinser) kan oprettes ved at flytte hvirvler rundt.

Metoden til hvirvelmanipulation i undersøgelsen kunne bruges i kvanteberegning til udvikling af optisk kontrollerede, hurtige single flux quantum (RSFQ) logiske elementer. Denne teknologi ses som lovende til design af superhurtig hukommelse til kvantecomputere. RSFQ-baserede logiske elementer bruges allerede i digital-til-analog og analog-til-digital-konvertere, højpræcisionsmagnetometre, og hukommelsesceller. En række prototype computere baseret på denne teknologi er blevet udviklet, herunder FLUX-1 designet af et team af amerikanske ingeniører. Imidlertid, RSFQ logiske elementer i disse computere styres for det meste af elektriske impulser. Optisk styret logik er en ny trend inden for superledende systemer.

De eksperimenter, som forskerne udførte, kunne anvendes i fremtidig forskning i Abrikosov -hvirvler. Fysikere har endnu ikke undersøgt detaljerne i, hvordan forhøjet temperatur virker til at "løsne" hvirvlerne fra deres steder og bringe dem i bevægelse. Mere forskning om hvirveldynamik i Abrikosov -gitter vil sandsynligvis følge. Denne forskningslinje er afgørende for at forstå superledernes fysik, samt vurdere mulighederne for fundamentalt nye typer mikroelektronikkomponenter.