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.
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.
«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).
Telegram 
Дзен 
VK Одной из главных анатомических особенностей эволюции рода Homo считается резкое увеличение объема черепной коробки за последние примерно два миллиона лет. За это время она в среднем увеличилась в три раза. Однако авторы нового исследования поставили под сомнение традиционную гипотезу, согласно которой этот процесс был результатом естественного отбора. По их мнению, он мог оказаться случайностью.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
Британские палеонтологи установили, что самый первый окаменелый фрагмент динозавра, когда-либо найденный в Антарктиде, принадлежал титанозавру. Эта группа длинношеих ящеров-завроподов включает в себя самых огромных сухопутных существ, когда-либо ходивших по земле.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
В 2025 году детекторы гравитационных волн уловили потенциальное слияние черных дыр крайне малой массы. Ученые из Университета Майами считают, что участники того события могут открыть новое направление в исследовании темной материи.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно