MIPT-natuurkundigen hebben geleerd hoe ze Josephson-wervels lokaal kunnen beheersen. De ontdekking kan worden gebruikt voor supergeleidende apparaten voor kwantumelektronica en toekomstige kwantumprocessors. Het werk is gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Een Josephson-vortex is een draaikolk van stromen die optreden in een systeem van twee supergeleiders gescheiden door een zwakke schakel:een diëlektricum, een normaal metaal, enz. - in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld. 1962, Brian Josephson voorspelde de stroom van een superstroom door een dunne laag isolatiemateriaal die twee stukken supergeleidend materiaal scheidt. Deze stroom werd de Josephson-stroom genoemd, en de koppeling van supergeleiders werd een Josephson-overgang genoemd. Er ontstaat een zogenaamde zwakke schakel tussen de twee supergeleiders via een diëlektricum of een niet-supergeleidend metaal, en macroscopische kwantumcoherentie ontwikkelt zich.

Wanneer dit systeem in een magnetisch veld wordt geplaatst, de supergeleiders duwen het magnetische veld naar buiten. Hoe groter het aangelegde magnetische veld, hoe meer de supergeleiding weerstand biedt aan het magnetische veld dat het Josephson-systeem binnendringt. Echter, de zwakke schakel is een plaats waar het veld kan doordringen in de vorm van individuele Josephson-wervels die magnetische fluxquanta dragen. Josephson-wervels worden vaak gezien als echte topologische objecten, 2 pi-fase singulariteiten die moeilijk waar te nemen en te manipuleren zijn.

Onderzoekers van het MIPT-laboratorium voor topologische kwantumverschijnselen in supergeleidende systemen pasten een magnetische krachtmicroscoop toe om Josephson-wervelingen te bestuderen in een systeem van twee supergeleidende niobiumcontacten die zijn ingelegd met een koperlaag die als een zwakke schakel fungeert.

"We hebben aangetoond dat in de vlakke (platte) supergeleider-normale metaal-supergeleidercontacten, Josephson-wervels hebben een unieke opdruk, " zei de senior auteur van de krant, Vasili Stolyarov van MIPT. "We hebben dit gevonden door deze structuren te observeren met een magnetische krachtmicroscoop. Op basis van deze ontdekking, we hebben de mogelijkheid aangetoond om Josephson-wervels lokaal te genereren, die kan worden gemanipuleerd door de magnetische cantilever van een microscoop. Ons onderzoek is de zoveelste stap in de richting van het creëren van toekomstige supergeleidende kwantumcomputers."

De verscheidenheid aan ultragevoelige supergeleidende apparaten, qubits, en architecturen voor quantum computing groeit snel. De verwachting is dat supergeleidende kwantumelektronische apparaten zeer binnenkort conventionele halfgeleiderapparaten zullen uitdagen. Deze nieuwe apparaten zullen afhankelijk zijn van Josephson-knooppunten zoals aangegeven door de gele gesloten pijl in figuur 1.

"Het is vrij moeilijk om Josephson-draaikolken te visualiseren, omdat ze slecht gelokaliseerd zijn, " voegde Stolyarov toe. "We hebben een manier ontdekt om de dissipatie te meten die optreedt tijdens de creatie en vernietiging van zo'n vortex in het zwakke schakelgebied. Dissipatie is een kleine afgifte van energie. In ons geval, de energie komt vrij wanneer een vortex beweegt in een vlak Josephson-contact. Dus, met behulp van onze magnetische krachtmicroscoop, we kunnen met succes niet alleen het statische magnetische portret van de supergeleidende structuur detecteren, maar ook de dynamische processen erin."

De auteurs van het artikel demonstreerden een methode voor generatie op afstand, detectie, en manipulatie van Josephson-wervelingen in vlakke Josephson-overgangen met behulp van een magnetische krachtmicroscoop bij lage temperatuur. Met bepaalde parameters (sondelocatie, temperatuur, extern magnetisch veld, elektrische stroom door het monster), het team observeerde een bepaalde reactie van de microscoop-cantilever. Dit werd gevolgd door het verschijnen van scherpe ringen/bogen in de afbeeldingen. De onderzoekers identificeerden deze kenmerken als splitsingspunten tussen aangrenzende Josephson-staten die worden gekenmerkt door een ander aantal of een andere positie van Josephson-wervelingen in de kruising. Het proces gaat gepaard met de uitwisseling van energie tussen de cantilever en het monster op de splitsingspunten en toont aan dat een magnetische krachtmicroscoop unieke informatie kan verschaffen over de toestand van een Josephson-vortex.

De verwachting is dat de resultaten van het onderzoek een aanzet en basis zullen vormen voor de ontwikkeling van nieuwe methoden voor lokale contactloze diagnostiek en beheer van moderne supergeleidende apparaten en supergeleidende kwantumelektronica.