Een nanofotonica-groep onder leiding van Prof. Brahim Lounis van de Universiteit van Bordeaux, waaronder wetenschappers van MIPT, heeft een uniek experiment uitgevoerd met de optische manipulatie van individuele Abrikosov-wervels in een supergeleider. In hun artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de wetenschappers noemen de mogelijkheid om nieuwe logische eenheden te ontwerpen op basis van kwantumprincipes voor gebruik in supercomputers.

Het fenomeen van supergeleiding, of nul elektrische weerstand, komt voor in bepaalde materialen in het temperatuurbereik van -273 tot -70 graden Celsius. Wanneer een materiaal overgaat in de supergeleidende toestand, de magnetische fluxvelden worden uit zijn volume verdreven. Bij een supergeleider worden ofwel alle magnetische veldlijnen uit zijn binnenste uitgestoten of laat hij gedeeltelijke penetratie van het magnetische veld toe.

Het fenomeen van gedeeltelijke penetratie werd in 1957 verklaard door Alexei Abrikosov, waarvoor hij in 2003 de Nobelprijs voor de Natuurkunde kreeg. Een materiaal dat geen volledige uitdrijving van het magnetische veld vertoont, wordt een type II supergeleider genoemd. Abrikosov toonde ook aan dat deze supergeleiders alleen kunnen worden gepenetreerd door discrete magnetische fluxeenheden, één magnetische flux kwantum per keer. Naarmate het veld binnen een supergeleider sterker wordt, het geeft aanleiding tot de cilindrische stroomlussen die bekend staan ​​​​als Abrikosov-wervelingen.

"Type II supergeleiders worden overal gebruikt, van geneeskunde tot energetische en andere industrieën. Hun eigenschappen worden bepaald door de 'vortex materie, ' wat onderzoek naar vortices en het vinden van manieren om ze te manipuleren erg belangrijk maakt voor de moderne natuurkunde, " zegt Ivan Veshchunov, een van de auteurs van de studie en een onderzoeker bij het Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems bij MIPT.

Om Abrikosov-draaikolken te manipuleren, de wetenschappers gebruikten een gerichte laserstraal. Dit soort optische vortexcontrole wordt mogelijk gemaakt door de neiging van de wervels om aangetrokken te worden naar de hogere temperatuurgebieden in een supergeleider (in dit geval, een niobiumfilm afgekoeld tot -268 graden Celsius). De nodige hotspots kunnen worden gecreëerd door het materiaal te verhitten met een laser. Echter, het is cruciaal om het juiste laservermogen in te stellen, omdat oververhitting het materiaal zijn supergeleidende eigenschappen vernietigt.

Omdat de wervels fungeren als magnetische fluxquanta, ze kunnen worden gebruikt om het algemene magnetische fluxprofiel vorm te geven, waardoor natuurkundigen verschillende experimenten met supergeleiders kunnen uitvoeren. Terwijl een driehoekig vortexrooster van nature voorkomt in bepaalde magnetische velden, andere soorten roosters (en apparaten zoals vortexlenzen) kunnen worden gemaakt door wervels te verplaatsen.

De methode van vortexmanipulatie in het onderzoek zou kunnen worden gebruikt in kwantumberekeningen voor de ontwikkeling van optisch gecontroleerde, snelle single flux quantum-logica-elementen (RSFQ). Deze technologie wordt als veelbelovend gezien voor het ontwerpen van supersnel geheugen voor kwantumcomputers. Op RSFQ gebaseerde logische elementen worden al gebruikt in digitaal-naar-analoog- en analoog-naar-digitaalomzetters, zeer nauwkeurige magnetometers, en geheugencellen. Er is een aantal prototypecomputers ontwikkeld op basis van deze technologie, waaronder de FLUX-1 die is ontworpen door een team van Amerikaanse ingenieurs. Echter, de RSFQ-logische elementen in deze computers worden meestal aangestuurd door elektrische impulsen. Optisch gestuurde logica is een opkomende trend in supergeleidende systemen.

De experimenten die door de wetenschappers zijn uitgevoerd, kunnen worden toegepast in toekomstig onderzoek naar Abrikosov-wervels. Natuurkundigen moeten nog de details onderzoeken van hoe verhoogde temperatuur werkt om de draaikolken van hun locaties te "losmaken" en in beweging te brengen. Meer onderzoek naar vortexdynamiek in Abrikosov-roosters zal waarschijnlijk volgen. Deze onderzoekslijn is van cruciaal belang voor het begrijpen van de fysica van supergeleiders, evenals het beoordelen van de vooruitzichten voor fundamenteel nieuwe soorten micro-elektronicacomponenten.