Обнаружен новый физический эффект, который может лечь в основу перспективных квантовых устройств

Физики открыли новый тип резонансных осцилляций сверхпроводящего критического тока, связанных с туннелированием между локализованными андреевскими квантовыми уровнями. Обнаружены они в джозефсоновских контактах, изготовленных на основе одиночных нанокристаллов топологических изоляторов. Нанокристаллы оказались перспективными не только для изучения фундаментальных физических процессов в мезоскопических квантовых системах, но и для развития квантовых технологий в целом.

ФизТех

Обнаружен новый физический эффект, который может лечь в основу перспективных квантовых устройств / ©Getty images / Автор: Наталья Федосеева

Результаты работы представлены в высокорейтинговом международном научном журнале Advanced Quantum Technologies. Мезоскопические устройства на основе топологических изоляторов — это настоящий научный клондайк, где ученые ищут и до сих пор находят множество новых фундаментальных и прикладных эффектов. Как можно понять уже из названия, материалы такого типа принято относить к изоляторам, или иначе — диэлектрикам либо полупроводникам, не пропускающим через себя электрический ток. Но за одним очень важным исключением: в своем тончайшем поверхностном слое этот материал проводит ток, как металл.

Грубо говоря, можно представить себе топологический изолятор чем-то вроде фрагмента дерева, покрытого с двух сторон медью. Однако в данном случае речь идет не о двух веществах, а об однородном образце одного и того же материала. Причем материала такого, в котором особое квантовое состояние электронов в поверхностном слое делает их не просто переносчиками тока, но «топологически защищенными» переносчиками.

Это свойство обусловлено тем, что данные квантовые состояния электронов чрезвычайно стабильны — в отличие от обычных электронных состояний в металле, здесь они более устойчивы при взаимодействии с атомными дефектами, ступеньками или другими несовершенствами материала.

Ученые из МФТИ открыли новый тип резонансных осцилляций сверхпроводящего критического тока в созданном научным коллективом новом джозефсоновском устройстве на основе нанокристалла топологического изолятора.

Василий Столяров, руководитель исследования, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ / ©Пресс-служба МФТИ

«Мы обнаружили новый тип осцилляций критического тока джозефсоновского контакта, состоящего из двух сверхпроводящих ниобиевых электродов, между которыми размещен нанокристалл топологического изолятора Bi2Te2.3Se0.7 гексагональной формы. Осцилляции появляются в температурном диапазоне от 400 до 20 мК (–272,7 °С) и имеют очень необычную остроконечную форму.

Период этих осцилляций составляет всего 1 эрстед, что соответствует чрезвычайно малому энергетическому масштабу, примерно 1 мкэВ. Нами было установлено, что наблюдаемый эффект может быть обусловлен резонансным туннелированием андреевских квазичастиц между энергетическими уровнями, образующимися вблизи границ сверхпроводник / топологический изолятор», — рассказал Василий Столяров, руководитель исследования, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.

Эксперименты проводились на рефрижераторе растворения BlueFors LD250. Для проведения таких прецизионных исследований был использован разработанный одним из соавторов метод фильтрации электронных и тепловых шумов.

По словам разработчиков, широкий диапазон температур, при котором проявляется пикообразная форма осцилляций и их сверхмалый период, являются прямым экспериментальным свидетельством того, что исследованный материал может послужить платформой для реализации квантовых устройств будущего.

«Хочется отметить, что мы первые в мире, кто решил реализовать джозефсоновское устройство на отдельном нанокристалле топологического изолятора, и вот результат. Думаю, за устройствами на таких объектах большое будущее», — добавил Василий Столяров.

Топологическая защищенность электронной подсистемы этого класса материалов может привести к рекордной устойчивости таких устройств к источникам декогерентности, а значит, и более высокой точности вычислений по сравнению с используемыми сейчас физическими принципами в «классических» кубитах.

Следующим этапом исследования, как сообщили соавторы работы, станет совершенствование технологии синтеза нанокристалов, технологии изготовления непосредственных сверхпроводящих устройств, а также изучение того, как эффективно управлять квазичастичными андреевскими уровнями и как реализовать квантовое логическое устройство на их основе.

«Наш результат имеет очень большое фундаментальное значение, поскольку ранее наличие андреевских уровней в системах с границами сверхпроводник / топологический изолятор не предсказывалось. Также из-за малого энергетического масштаба системы таких уровней невозможно было подумать и о наглядном электронно-транспортном эксперименте. В данном случае стечение обстоятельств позволило нам это сделать», — заключил Василий Столяров.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда. В работе, кроме ученых Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ принимали участие их коллеги из лаборатории сверхпроводящих метаматериалов МИСиС, Университета Сорбонна (Париж), Института технологий микроэлектроники РАН, Института физики твердого тела РАН и Университета Твенте (Нидерланды).

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.