Физики из МФТИ, ВНИИА и Института физики микроструктур РАН вывели уравнение, которое описывает движение вихрей в сверхпроводниках с учетом запаздывания зарядового дисбаланса. Результат поможет точнее проектировать кубиты для квантовых компьютеров, детекторы фотонов для астрономических телескопов и систем связи. Исследование опубликовано в журнале Physical Review B.
Системы связи, квантовые процессоры и чувствительные детекторы имеют общую основу — сверхпроводящие цепи. Они работают при сверхнизких температурах, а их свойствами можно управлять с помощью магнитного поля и сверхтока. Магнитный поток проникает в материал в виде крошечных вихрей Абрикосова — квантованных вихрей, вокруг которых циркулирует сверхпроводящий ток.
Однако, когда по пленке течет переменный ток, они начинают двигаться и меняют кинетическую индуктивность. Это приводит к тому, что приборы начинают работать на другой частоте, теряют чувствительность и дают больше ошибок.
Долгое время физики описывали движение вихрей как движение вязкой частицы, добавляли в уравнения массу вихря и силу закрепления на дефектах (пининга). Но эти попытки не учитывали внутренние процессы в самом вихре.
В новом исследовании ученые вывели уравнение движения вихря, которое учитывает не только трение и закрепление, но и запаздывание — ретардацию. Теорию построили на основе нестационарных уравнений Гинзбурга — Ландау. Этот подход описывает сверхпроводимость в бесщелевых сверхпроводниках.
«Важную роль в этом процессе играет потенциал зарядового дисбаланса. Когда вихрь движется, сверхпроводящий ток внутри его сердцевины частично превращается в обычный. Возникает область с избыточным зарядом. Она не исчезает мгновенно, для этого нужно определенное время. Это время растет при приближении к критической температуре. Запаздывание меняет отклик вихря на переменный ток», — прокомментировал Александр Мельников, главный научный сотрудник лаборатории спиновых явлений в сверхпроводниковых наноструктурах и устройствах МФТИ.
Уравнение показывает, что отклик вихря на переменный ток зависит от частоты. На низких частотах запаздывание проявляется как эффективная «отрицательная масса», а на высоких — как дополнительная возвращающая сила, похожая на пиннинг. Такое поведение вихрей напрямую меняет кинетическую индуктивность сверхпроводника.
Это важная поправка, потому что кинетическая индуктивность задает рабочую частоту и качество резонаторов, детекторов, усилителей и устройств чтения кубитов.
«У модели есть ограничения: она предполагает, что характерная длина релаксации зарядового дисбаланса меньше длины когерентности. В реальных системах она может быть значительно больше. Тогда область зарядового дисбаланса выходит за пределы сердцевины вихря, что может увеличивать омическую вязкость и время запаздывания», — рассказал Василий Столяров, директор центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.
Еще одно ограничение связано с количеством вихрей. Если вихрей становится много, области зарядового дисбаланса могут начать перекрываться. В этом случае необходимо учитывать взаимодействие вихрей и формирование вихревой решетки.
В дальнейшем ученые планируют исследовать режимы, в которых вихри расположены ближе друг к другу. Это позволит лучше предсказывать поведение реальных устройств на основе сверхпроводников в разных условиях.
