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.
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.
Позавчера, 10:10
8 минут
ФизТех

Ученые из МФТИ, МИСиС, РКЦ, МГТУ и ВНИИА провели эксперимент, в котором сверхпроводниковые кубиты симулировали передачу фотонов в модели Бозе — Хаббарда. Численное решение модели на классическом компьютере для проверки экспериментальных данных, полученных на симуляторе за два часа, заняло около недели на 138-ядерном вычислительном кластере ВНИИА имени Духова.

Позавчера, 14:19
12 минут
Сколтех

Ученые из Сколтеха разработали систему мониторинга для сельского хозяйства, позволяющую производить сегментацию изображения в режиме реального времени на борту БПЛА и идентифицировать борщевик.

Вчера, 10:54
4 минуты
Ольга Иванова

Диеты, которые включают в себя голодание, как показал эксперимент ученых из Великобритании, способны навредить будущим поколениям. Это подтвердили на классическом модельном организме — червях, — но специалисты говорят, что данные возможно экстраполировать в будущем и на людей.

Позавчера, 08:45
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

8 мая
37 минут
Александр Березин

Филипп Мандей основал целое направление исследований: он первым установил, что закисление океанов — последствие глобального потепления — угрожает обонянию и умению ориентироваться у морских рыб. Само собой, это создает угрозу их вымирания. Долго оставалось загадкой только одно: как существующие виды рыб перенесли серьезное закисление океана при прошлых изменениях климата. Теперь все проясняется: похоже, Мандей обнаружил эффект, которого никогда не было. Интересно, что вместе с ним его наблюдали еще 179 ученых — и теперь все они оказались в центре чудовищного скандала. Попробуем разобраться в деталях.

8 мая
13 минут
Александр Речкин

В учебниках истории XX века, на сотнях плакатах и в десятках кинофильмах о Второй мировой войне мы видели знаменитые танки, «катюши» и бороздящие небеса Ил-2. Давайте проверим, сможете ли вы отличить советскую военную технику от машин союзников и стран «оси».

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: