Группа исследователей из МФТИ и Стокгольмского университета разработала миниатюрное устройство, способное контролируемо изменять фазу сверхпроводящей волновой функции. Поскольку сверхпроводниковая электроника имеет дело именно с волновой функцией, это устройство может стать одним из ее базовых элементов — как, например, транзистор для полупроводниковой техники. Переключением фазы ученые управляли, передвигая вихри Абрикосова между специально созданными «ловушками» вблизи джозефсоновского контакта. Эти переключения могут быть использованы для реализации памяти, работающей при очень низких температурах. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.
Узким местом сверхбыстрых логических устройств на основе сверхпроводящих материалов является реализация низкотемпературной памяти. Поскольку привычные полупроводниковые запоминающие устройства при сверхнизких температурах работать не могут — остро стоит вопрос об их эквиваленте способном так же эффективно работать при температурах жидкого гелия (4,2 К = –268,8 С) и ниже.
Хорошо известно, что традиционная электроника выстраивает свою работу, оперируя напряжением или током, сверхпроводящая же работает с фазой сверхпроводящей волновой функции, поскольку в сверхпроводнике при протекании тока ниже его критического значения напряжение всегда равно нулю. Например, в обычной электронике автономным питающим устройством является батарейка — источник электронов, в сверхпроводящей электронике аналогом является фазовая батарейка — устройство, способное также автономно создавать разность фаз на определенном участке сверхпроводящей цепи для того, чтобы начал течь сверхток. Конструкция, разработанная учеными из МФТИ и Стокгольмского университета, позволяет задавать, менять и сохранять в течение длительного времени значение разности фаз в джозефсоновских контактах — базовых элементах сверхпроводящей и квантовой электроники.
«Сверхпроводимость сама по себе — интересный квантово-механический эффект в том смысле, что электроны в сверхпроводнике ведут себя как единое целое — лежат на одном энергетическом уровне и описываются одной волновой функцией. При этом, в отличие от атомов и фотонов, проявляя квантовые свойства, сверхпроводник имеет макроскопические (десятки микрон) размеры, — поясняет Владимир Краснов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, соавтор статьи. — Когда атомы ведут себя квантово-механически, это не вызывает удивления, а для таких огромных объектов это крайне неожиданно».
Рисунок 1. Строение устройства. Джозефсоновский фазовый сдвиг создается сверхпроводящими вихрями. Вихревые ловушки микронного размера. Источник: Nano Letters
В 1962 году Брайан Дэвид Джозефсон, позднее ставший лауреатом Нобелевской премии, показал, что, если создать своеобразный «конденсатор» из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолятором, между его обкладками будет течь сверхпроводящий ток. Такие конструкции получили название джозефсоновских контактов. Между волновыми функциями электронов с обеих сторон барьера в результате туннельного обмена устанавливается разность фаз, которая и определяет величину тока. Способность управляемо изменять разность фаз дает возможность «настройки» состояния сверхпроводящих устройств.
Чтобы управлять разностью фаз, ученые «поселили» в сверхпроводнике вихри Абрикосова. Сверхпроводник не пускает в себя магнитное поле, но при определенных условиях оно может проникать туда отдельными квантами, не нарушая сверхпроводимость в целом. Вокруг «дыры» — места проникновения — начинает циркулировать сверхпроводящий ток, схожим образом вокруг области с пониженным атмосферным давлением закручивается воронка урагана. Исследователи показали, что, передвигая вихрь, можно изменять разность фаз на расположенном неподалеку джозефсоновском контакте.
«В 2015 году на основе вихрей Абрикосова мы создали прототип памяти для квантового компьютера, — вспоминает Владимир Краснов. — Это было гораздо проще: мы доказали, что можем включать или выключать вихрь, получая 1 или 0, для памяти этого достаточно. Наше новое устройство может с помощью небольших манипуляций импульсом тока менять разность фаз. Точность сдвига контролируется с помощью системы специально созданных дефектов — просверленных на поверхности кристалла дырочек-ловушек. “Пинок” импульсом тока заставляет вихрь “вылететь” из одной ловушки и попасть в следующую. Примерно так же на неровной поверхности мячик скатывается в ямку, поскольку это выгодно энергетически. Сдвигая вихрь на расстояние порядка его размера, мы вызываем существенное изменение фазы. Системы из четырех ловушек нам хватило, чтобы, переключаясь между ними, изменять разность фаз практически непрерывно в диапазоне от нуля до 3π, чего более чем достаточно для практического применения».
Однако импульсные эксперименты не давали уверенности, что вихрь попадает именно в искусственно изготовленную ловушку, так как он, находясь в системе, может задержаться и на других дефектах, и при этом все так же влиять на фазу волновой функции. Доказательство захвата вихря ловушкой стало возможным благодаря локальным зондовым методам исследования.
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, соавтор статьи, добавляет: «Используя низкотемпературную магнитно-силовую сканирующую микроскопию, нам удалось визуализировать сам факт попадания вихря Абрикосова в специальную “ловушку” и одновременно с этим продемонстрировать его влияние на свойства контакта. В дальнейшем это позволило интерпретировать результаты импульсных электронно-транспортных экспериментов на новом качественном уровне. Таким образом, локальные методы исследований в очередной раз продемонстрировали свою эффективность для однозначного определения свойств и функциональных особенностей наноразмерных систем».
Важными достоинствами разработанного устройства являются миниатюрность (порядка сотен нанометров) и автономность. Сверхпроводящие квантовые устройства крайне восприимчивы к помехам, и то, что менять фазу можно, не подсоединяя провода, — потенциальные источники паразитных сигналов — очень ценно. Новый прибор имеет все шансы стать базовым элементом для создания более сложных устройств в сверхпроводниковой электронике.
Центр перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ создан в 2021 году и работает под научным руководством нобелевского лауреата сэра Андрея Гейма. В основе исследований Центра лежат современные зондовые и спектроскопические методы. Исследования направлены на получение новых фундаментальных знаний, а также на разработку новых принципов работы квантовых, электронных, спиновых, ионных, молекулярных и др. устройств. Решается проблема пределов миниатюризации функциональных устройств.
