Forskere observerer, hvordan superledende nanotråde mister modstandsfri tilstand

Forskere fra Skoltech, MIPT, NUST MISiS og Moskva Institut for Fysik og Teknologi har direkte observeret, hvordan individuelle superledende nanotråde mister deres unikke egenskab med modstandsfri transport af elektrisk strøm, mens de bliver påvirket af et magnetfelt. Forskerne brugte en speciel teknik, de udviklede tidligere baseret på mikrobølger, til at inducere og detektere superledning i individuelle nanotråde. Deres resultater er rapporteret i tidsskriftet Nano Letters.

Superledning er en tilstand af perfekt elektrisk ledningsevne udvist af visse materialer, kaldet superledere, når de afkøles under en karakteristisk kritisk temperatur. Under den kritiske temperatur falder en superleders elektriske modstand ned til præcis nul, og den kan lede en elektrisk strøm uden tab (så længe strømmen ikke overstiger en kritisk værdi). Dette fænomen er hjørnestenen i mange moderne teknologier såsom kraftige magneter, ultrafølsomme detektorer af magnetiske felter (SQUID'er) og højhastigheds digitale enheder.

Individuelle nanotråde (ledninger med dimensioner i størrelsesordenen milliardtedele af en meter) lavet af superledere er blevet aktivt undersøgt i de sidste to årtier. Når superledere bruges i så små skalaer, kan man observere eksotiske kvantefænomener, der er fraværende i bulkmaterialer. For eksempel blev individuelle nanotråde teoretisk forudsagt til at gennemgå kvantefaseovergange, ændringen i materialets tilstand drevet af kvanteudsving, ikke temperatur. Desværre forblev disse forudsigelser indirekte, fordi der indtil for nylig ikke var noget værktøj, der ville muliggøre direkte observation af superledningsevne og kvantefaseovergange i individuelle nanotråde.

"I vores tidligere arbejde rapporteret sidste år i Nature Communications udviklede vi en eksperimentel teknik, der bruger mikrobølger til at inducere og detektere superledning i nanotråde. Denne teknik er meget unik, og den giver os for første gang mulighed for ikke blot at sige, om en individuel nanotråd viser superledning eller ej, men også direkte at observere forskellige karakteristiske træk ved superledende nanotråde, herunder modstandsfri tilstand, kritisk strøm, energigab, og så videre. Nu har vi forbedret vores teknik yderligere for at nå den følsomhed, der muliggør direkte observation af effekten af ​​et eksternt magnetfelt på en enkelt superledende nanotråd," forklarer Evgeny Mishchenko, en seniorforsker ved Quantum Materials and Devices Lab ved Skoltech Center for Quantum Science and Technology.

Forskerne tog individuelle nanotråde lavet af aluminium - en almindelig superleder - og brugte deres teknik til at påføre og samtidig detektere en elektrisk strøm langs nanotrådene. De udsatte derefter nanotrådene for et eksternt magnetfelt og observerede direkte fremkomsten og udviklingen af ​​den modstandsfrie tilstand. De afslørede den indviklede udvikling af den modstandsfrie tilstand som en funktion af styrken af ​​det magnetiske felt, hvilket forklares af teorien.

"Vi har arbejdet på at perfektionere denne teknik i næsten et årti, og jeg er meget begejstret for, at den endelig giver os mulighed for direkte at udforske og forstå den grundlæggende fysik bag driften af ​​superledende enheder på nanoskala," siger Alexander Golubov, professor ved Skoltech og lederen af ​​Quantum Materials and Devices Lab.

Forskerne understreger, at yderligere udvikling af teknikken kan bane vejen mod praktisk realisering af kvanteberegnings- og kvantekommunikationsteknologier baseret på individuelle superleder-nanotråde. For eksempel menes den observerede kvantefaseovergang at være meget lovende for realiseringen af ​​såkaldte Majorana-fermioner, der anses for at være de mest levedygtige kandidater til qubits i topologisk kvanteberegning.