Нанопровод поймал вихри Абрикосова — Naked Science
12 минут
ФизТех

Нанопровод поймал вихри Абрикосова

Ученые из МФТИ, МГУ и ИФТТ РАН показали возможность детектирования проникновения абрикосовских вихрей через границу сверхпроводника с ферромагнетиком. Устройство представляет собой ферромагнитный нанопровод, к которому подведены сверхпроводящие электроды.

Научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Ольга Скрябина контролирует процесс микросварки контактов к чипу
Научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Ольга Скрябина контролирует процесс микросварки контактов к чипу / ©Евгений Пелевин / Пресс-служба МФТИ

Работа опубликована в Scientific Reports. 
Сверхпроводниками называют материалы, обладающие свойством терять сопротивление ниже определенной критической температуры Тс. Еще одно удивительное свойство сверхпроводников — выталкивание магнитного поля из своего объема (левитация). Это происходит за счет того, что по поверхности сверхпроводника начинает течь ток, который экранирует магнитное поле.

Но есть материалы, их назвали сверхпроводниками второго рода, которые при температуре ниже критической способны пропускать магнитный поток в виде квантованных вихрей. Это явление было впервые предсказано физиком Алексеем Абрикосовым и названо его именем. Абрикосовский вихрь — это вихрь сверхпроводящего тока с несверхпроводящим ядром, несущим в себе квант (единицу) магнитного потока.

Ольга Скрябина, первый автор работы, научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ, говорит: «Целью нашего исследования было изучение особенностей сосуществования антагонистических явлений в одномерных системах “сверхпроводник — ферромагнетик”. Такие системы в настоящее время вызывают большой интерес благодаря обладанию сильной магнитной анизотропией и различным размерным и спиновым эффектам.

Эти явления делают их перспективными для применения в функциональных гибридных наноустройствах, таких как сверхпроводящие преобразователи тока, спиновые затворы, магнитная память. Мы взяли нанопровод из никеля, который является ферромагнетиком, и подвели к нему контакты из ниобия, являющегося сверхпроводником».

Рисунок 1. Микроизображение структуры. Серым в центре показаны сверхпроводящие электроды из ниобия, синим — ферромагнитный никелевый нанопровод. Метка шкалы составляет 1 микрометр. Буквами «A» и «V» (амперметр и вольтметр) обозначен способ пропускания тока через образец /
©O. V. Skryabina et al. / Scientific Reports

Ученые исследовали систему из двух сверхпроводящих ниобиевых электродов, соединенных никелевым нанопроводом (рисунок 1). Оказалось, что при изменении магнитного поля изменение сопротивления нанопровода очень сильно зависит от эффектов, происходящих на граничной области между сверхпроводником и ферромагнетиком.

Сначала физики рассмотрели систему в нормальном состоянии, когда температура выше критической и магнитное поле одинаково проникает во все части структуры (рисунок 2а). Сопротивление образца с ростом магнитного поля менялось слабо. Затем ученые опустили температуру ниже критической. Ниобиевые электроды перешли в сверхпроводящее состояние, их сопротивление стало равным нулю. При этом экспериментаторы зафиксировали сильный рост сопротивления системы.

Он мог происходить только за счет вклада в сопротивление граничных областей «сверхпроводник — ферромагнетик». В то же время по ниобию потекли экранирующие токи, в результате чего сверхпроводник начал выталкивать магнитное поле (рисунок 2b). Эти явления приводят к тому, что кривые магнитосопротивления имеют необычную пилообразную форму и сдвиг относительно разных проходов по магнитному полю (рисунок 3).

Ольга Скрябина рассказывает: «Мы поместили образец в магнитное поле, направленное параллельно длинной оси нанопровода. Обнаружилось, что, измеряя сопротивление образца в таких условиях, мы можем засечь момент входа или выхода кванта магнитного потока в сверхпроводящий электрод». Именно проникновение вихря в ниобий (рисунок 2с) или его выход оттуда и обуславливает эту пилообразность электрического сопротивления. Никелевый нанопровод в данной системе действует как громоотвод, «притягивающий» магнитное поле. Контакт с ним ослабляет сверхпроводимость в ниобиевых электродах, а значит, и локализует место проникновения вихрей Абрикосова.

Проведенные исследования демонстрируют колоссальное отличие привычных электрических схем по отношению к сверхпроводящим цепям и указывают на необходимость глубоких исследований гибридных сверхпроводниковых устройств для дальнейшего прогресса в области создания сверхпроводящих цифровых и квантовых компьютеров, а также сверхчувствительных сенсоров. 

Рисунок 2. Процессы, происходящие в системе ниобий (серый блок) / никелевый нанопровод (синий цилиндр) при разных внешних условиях. (a) Температура выше критической, система находится в нормальном состоянии, магнитное поле (черные стрелки) проходит сквозь весь образец. (b) Температура ниже критической, при Hc < H < Hc1 магнитное поле концентрируется в ферромагнитном нанопроводе (красные стрелки) и экранируется ниобием (черные стрелки). (c) T < Tс, при превышении критического магнитного поля H > Hc1 происходит вход абрикосовского вихря в ниобий (отмечен красным кругом) / © O. V. Skryabina et al. / Scientific Reports 
Рисунок 3. Зависимость сопротивления образца от приложенного магнитного поля. Синим и красным цветом обозначено направление развертки магнитного поля. (a) Температура выше критической, система находится в нормальном состоянии, сопротивление системы меняется незначительно (в основном из-за перемагничивания никелевого нанопровода). (b) Температура ниже критической температуры сверхпроводящего перехода. Сопротивление системы меняется на порядок сильнее. Кривая имеет пилообразный вид со скачками сопротивления, соответствующими входу/выходу абрикосовского вихря. На вставках обоих графиков вынесено их увеличенное изображение в диапазоне перемагничивания нанопровода / © O. V. Skryabina et al. / Scientific Reports

Работа была выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства образования и науки РФ.

Лаборатория топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ занимается теоретическими и экспериментальными исследованиями фундаментальных физических свойств гибридных сверхпроводящих наноструктур. Объекты исследований — металлические и полупроводниковые наноструктуры на основе контактов сверхпроводников с так называемыми топологическими изоляторами. Физика «топологически защищенных» квантовых состояний — бурно развивающаяся область науки, которая привлекает большой интерес из-за перспективы создания принципиально новых типов приборов для спинтроники и квантовых вычислений. Последнее особенно актуально, так как в настоящее время основной проблемой реализации квантовых вычислений в передовых лабораториях мира является потеря квантовой когерентности из-за взаимодействия с окружающей средой.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
208 статей
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.

Комментарии

Написать комментарий
Сегодня, 11:30
10 минут
Василий Парфенов

В ближайшие десять лет звездное небо пополнится тысячами новых ярких точек: спутниковые группировки растут как на дрожжах. Никто не отрицает неоспоримой пользы, которую они принесут, но для астрономических наблюдений это катастрофа. Ученые снова напомнили о проблеме, показав, как аппараты типа Starlink мешают работе даже космических телескопов, и предложили ряд рекомендаций по снижению вреда. Однако не все компании готовы им следовать на деле.

11 часов назад
5 минут
Ольга Иванова

Не потерять — в буквальном смысле. Ведь как всем известно, самки этих насекомых нередко промышляют тем, что откусывают голову (и другие части тела) самцам сразу после или даже во время спаривания. Ученые из Новой Зеландии выяснили, что мужские особи одного из видов богомолов могут применять определенную тактику для того, чтобы защититься от нападения агрессивной самки.

Позавчера, 19:15
4 минуты
Василий Парфенов

Знакомый почти каждому образ нашей спиральной Галактики, оказывается, не совсем корректен. Если посмотреть на Млечный Путь сбоку, его профиль представляет собой не линию, а волну.

16 января
5 минут
Илья Ведмеденко

Россия подняла в небо группу из шести военно-транспортных самолетов Ан-124-100. Такие тренировки позволяют отработать переброску на большие расстояния личного состава воинских подразделений.

18 января
5 минут
Василий Парфенов

В московском аэропорту Жуковский произошло ЧП: за пределы взлетно-посадочной полосы выкатился новейший отечественный авиалайнер МС-21-300. Он проходил испытания, во время которых имитировали прерванный полет из-за отказа одного двигателя.

16 января
9 минут
Василий Парфенов

Специалисты по информационной безопасности нашли пренеприятнейшую особенность ОС Windows 10. Ее штатный драйвер файловой системы NTFS при определенных условиях реагирует крайне деструктивным образом — критически повреждает главную файловую таблицу MFT. Вызвать такое его поведение можно огромным количеством способов: от создания подготовленной веб-страницы до отправки картинок, файлов и документов жертве.

4 января
2 минуты
Илья Ведмеденко

В России приступили к летным испытаниям нового Ту-214. По имеющимся данным, речь идет о третьем и заключительном экземпляре Ту-214ПУ, изготовленном по контракту от 2017 года.

6 января
42 минуты
Александр Березин

Попытки нашей страны создать замену сверхмассовому биплану советской эпохи терпят неудачи вот уже тридцать лет. Причина проста: кризис легкомоторной авиации в целом. Когда-то самая передовая часть авиастроения сегодня застряла на решениях большой древности — и без резкого изменения всей концепции "летающего такси" так и не увидит заметных результатов.

4 января
7 минут
Василий Парфенов

Наступление Мирового океана на сушу, как правило, связывают с глобальным потеплением. Однако испанские геологи описали еще одну проблему, которая только усугубляет ситуацию. Они подсчитали, что из-за проседания почв территория, на которой проживает 19% населения Земли, окажется ниже уровня моря уже к 2040 году.

[miniorange_social_login]
Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: