Вчені змогли контролювати складний фізичний процес - вихори Джозефсона.
Фізики з МФТІ показали можливість локального управління Джозефсонівськими вихорами. Відкриття може бути затребуване в надпровідних пристроях квантової електроніки, в майбутніх квантових процесорах. Роботу опубліковано в журналі Nature Communications.
Джозефсонівський вихор - це вихор струмів, що виникає в системі з двох надпровідників, розділених слабким зв'язком (діелектриком, нормальним металом та ін.) у присутності зовнішнього магнітного поля. У 1962 році Джозефсон передбачив ефект протікання надпровідного струму через тонкий шар ізолятора, що розділяє два надпровідники. Такий струм назвали джозефсонівським струмом, а таке з'єднання надпровідників - джозефсонівським контактом. Між двома надпровідниками через діелектрик або метал, що не є надпровідником, утворюється зв'язок, званий слабким, і встановлюється макроскопічна квантова когерентність. Коли цю систему поміщають у магнітне поле, надпровідники магнітне поле виштовхують. Чим більше магнітне поле прикладається, тим більше надпровідність опирається проникненню магнітного поля в джозефсонівську систему. Однак слабкий зв'язок - це місце, в яке поле може проникнути у вигляді окремих джозефсонівських вихорів, що несуть квант магнітного потоку. Вихори Джозефсона часто розглядаються як справжні топологічні об'єкти, 2лід-фазові сингулярності, спостереження і маніпулювання якими досить складно.
Вчені з лабораторії топологічних квантових явищ у надпровідних системах МФТІ вирішили застосувати магнітно-силовий мікроскоп (МСМ) для вивчення джозефсонівських вихорів у системі з двох надпровідних контактів з ніобію і прошарку з міді (Nb/Cu/Nb), що відіграє роль слабкого зв'язку.
Василь Столяров, провідний науковий співробітник лабораторії топологічних квантових явищ у надпровідних системах МФТІ каже: "Ми показали, що в планарних (плоских) контактах" надпровідник - нормальний метал - надпровідник "джозефсонівські вихори мають своєрідний відбиток. Він був виявлений при проведенні магнітно-силової мікроскопії таких структур. Ґрунтуючись на цьому відкритті, ми продемонстрували можливість локальної генерації джозефсонівського вихору і маніпулювання ним магнітним кантилевером мікроскопа. Наше дослідження - це ще один крок до створення майбутніх надпровідних квантових обчислювачів ".
Різноманітність надчутливих надпровідних пристроїв, кубітів та архітектур для квантових обчислень швидко зростає. Очікується, що пристрої надпровідної квантової електроніки в найближчому майбутньому кинуть виклик звичайним напівпровідниковим пристроям. Джозефсонівські контакти є будівельними блоками подібних пристроїв. Експериментальна установка: ніобій Nb (синій), мідь Cu (помаранчевий). Елліпс відзначає область Джозефсонівського переходу. Голка магнітно-силового мікроскопа з магнітним покриттям з Co/Cr коливається п'єзоелементом (dither); оптоволокно використовується для зчитування коливань.
Василь Столяров додає: "Візуалізувати джозефсонівські вихори досить складно, оскільки вони погано локалізовані. Ми знайшли спосіб вимірювати дисипацію, що виникає при народженні/знищенні такого вихору в області слабкого зв'язку. Дисипація - це невелике виділення енергії. У нашому випадку виділення енергії відбувається при русі вихору в планарному джозефсонівському контакті. Таким чином, за допомогою нашого магнітно-силового мікроскопа ми добре детектуємо не тільки статичний магнітний портрет надпровідної структури, але і динамічні процеси в ній ".Детектування Джозефсонівських вихорів. (a) - топографічне зображення структури, отримане за допомогою атомно-силової мікроскопії. (b-с) - магнітно-силові зображення фазового контрасту (вимірювалася зміна фази коливань кантилевера). (b) - зразок був охолоджений у зовнішньому магнітному полі 90 Е. Невеликі окремі білі гуртки - вихори Абрикосова. (c) - додано магнітне поле 90 Е після того, як зразок був охолоджений в нульовому зовнішньому магнітному полі. В околиці переходу з'явилося кілька чорних кілець, які говорять про різке падіння фази коливання голки, коли вона знаходиться в певних місцях. (d) - в нульовому зовнішньому магнітному полі. Видно кілька кілець, що демонструють вплив власного магнітного поля голки на структуру. (e) - розподіл фазового сигналу вздовж лінії, показаної червоною стрілкою на (d). Кожне падіння фази визначає межі між різними конфігураціями з різним числом Джозефсонівських вихорів n = 0, 1, 2. (f) - залежність фази коливань голки від її висоти над поверхнею, коли голка знаходиться над центром структури.
Автори роботи показали спосіб дистанційної генерації, детектування і маніпулювання джозефсонівськими вихорами в планарних джозефсонівських переходах з використанням низькотемпáного магнітно-силового мікроскопа.
За певних параметрів (розташування зонда, температура, зовнішнє магнітне поле, електричний струм через зразок) вчені спостерігали особливий відгук кантилевера мікроскопа. Це супроводжувалося появою різких кілець/дуг на зображеннях.
Дослідники ідентифікували ці особливості як точки біфуркації між сусідніми джозефсонівськими станами, що характеризуються різним числом або положенням джозефсонівських вихорів всередині переходу. Процес супроводжується обміном енергії кантилевера зі зразком в точках біфуркації і демонструє, що магнітно-силовий мікроскоп може надати унікальну інформацію про стан вихору Джозефсона.
Очікується, що результати роботи послужать поштовхом для розробки нових, заснованих на відкритті авторів методів локальної безконтактної діагностики та управління сучасними надпровідними пристроями і надпровідниковою квантовою електронікою.
