Forskere tæmmer Josephson virvler

MIPT -fysikere har lært, hvordan man lokalt kan kontrollere Josephson virvler. Opdagelsen kan bruges til kvantelektronik -superledende enheder og fremtidige kvanteprocessorer. Værket er blevet offentliggjort i det prestigefyldte videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

En Josephson -hvirvel er en hvirvel af strømme, der forekommer i et system med to superledere adskilt af et svagt led - et dielektrikum, et normalt metal, etc. - i nærvær af et eksternt magnetfelt. I 1962, Brian Josephson forudsagde strømmen af ​​en superstrøm gennem et tyndt lag isolerende materiale, der adskiller to stykker superledende materiale. Denne strøm blev navngivet Josephson -strømmen, og koblingen af ​​superledere blev kaldt et Josephson -kryds. En såkaldt svag forbindelse opstår mellem de to superledere gennem et dielektrikum eller et ikke-superledende metal, og makroskopisk kvantesammenhæng udvikler sig.

Når dette system placeres i et magnetfelt, superlederne skubber magnetfeltet ud. Jo større magnetfelt der anvendes, jo mere superledningen modstår magnetfeltet, der trænger ind i Josephson -systemet. Imidlertid, det svage led er et sted, hvor feltet kan trænge ind i form af individuelle Josephson -hvirvler, der bærer magnetiske fluxkvanta. Josephson virvler ses ofte som ægte topologiske objekter, 2 pi-fase singulariteter, der er svære at observere og manipulere.

Forskere fra MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems anvendte et magnetisk kraftmikroskop for at studere Josephson virvler i et system med to superledende niobkontakter indlagt med et kobberlag, der fungerer som et svagt led.

"Vi har demonstreret, at i de plane (flade) superleder-normale metal-superlederkontakter, Josephson virvler har et unikt aftryk, "sagde avisens seniorforfatter, Vasily Stolyarov fra MIPT. "Vi fandt dette ved at observere disse strukturer med et magnetisk kraftmikroskop. Baseret på denne opdagelse, vi demonstrerede muligheden for lokalt at generere Josephson virvler, som kan manipuleres af den magnetiske cantilever i et mikroskop. Vores forskning er endnu et skridt mod at skabe fremtidige superledende kvantecomputermaskiner. "

Forskellige ultralydsfølsomme superledende enheder, qubits, og arkitekturer til kvanteberegning vokser hurtigt. Det forventes, at superledende kvanteelektroniske enheder snart vil udfordre konventionelle halvlederenheder. Disse nye enheder vil stole på Josephson -kryds som det, der er angivet med den gule lukkede pil i figur 1.

"Det er ret svært at visualisere Josephson virvler, da de er dårligt lokaliserede, "Tilføjede Stolyarov." Vi opdagede en måde at måle den spredning, der opstår under oprettelsen og ødelæggelsen af ​​en sådan hvirvel i det svage ledområde. Dissipation er en mindre frigivelse af energi. I vores tilfælde, energien frigives, når en hvirvel bevæger sig i en plan Josephson -kontakt. Dermed, ved hjælp af vores magnetiske kraftmikroskop, vi kan med succes opdage ikke kun det statiske magnetiske portræt af den superledende struktur, men også de dynamiske processer i den. "

Forfatterne af papiret demonstrerede en metode til fjerngenerering, opdagelse, og manipulation af Josephson virvler i plane Josephson-kryds ved hjælp af et lavtemperatur magnetisk kraftmikroskop. Med visse parametre (sondeplacering, temperatur, eksternt magnetfelt, elektrisk strøm gennem prøven), holdet observerede en særlig reaktion fra mikroskopet cantilever. Dette blev efterfulgt af fremkomsten af ​​skarpe ringe/buer på billederne. Forskerne identificerede disse funktioner som splittelsespunkter mellem tilstødende Josephson -stater præget af et andet antal eller position af Josephson -hvirvler inde i krydset. Processen ledsages af udveksling af energi mellem cantilever og prøven på bifurkationspunkterne og demonstrerer, at et magnetisk kraftmikroskop kan give unik information om tilstanden af ​​en Josephson -hvirvel.

Det forventes, at resultaterne af forskningen vil tjene som et skub og et grundlag for at udvikle nye metoder til lokal kontaktløs diagnostik og håndtering af moderne superledende enheder og superledende kvanteelektronik.