Wetenschappers van Skoltech, MIPT, NUST MISiS en het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie hebben rechtstreeks waargenomen hoe individuele supergeleidende nanodraden hun unieke eigenschap van weerstandsvrij transport van elektrische stroom verliezen terwijl ze worden beïnvloed door een magnetisch veld. De wetenschappers gebruikten een speciale techniek die ze eerder hadden ontwikkeld op basis van microgolven om supergeleiding in individuele nanodraden te induceren en te detecteren. Hun bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Nano Letters.

Supergeleiding is een toestand van perfecte elektrische geleidbaarheid die wordt vertoond door bepaalde materialen, supergeleiders genoemd, wanneer deze worden afgekoeld tot onder een karakteristieke kritische temperatuur. Beneden de kritische temperatuur daalt de elektrische weerstand van een supergeleider tot precies nul en kan hij zonder verliezen een elektrische stroom geleiden (zolang de stroom een ​​kritische waarde niet overschrijdt). Dit fenomeen is de hoeksteen van veel moderne technologieën, zoals krachtige magneten, ultragevoelige detectoren van magnetische velden (SQUID's) en snelle digitale apparaten.

Individuele nanodraden (draden met afmetingen in de orde van miljardsten van een meter) gemaakt van supergeleiders zijn de afgelopen twintig jaar actief bestudeerd. Wanneer supergeleiders op zulke minuscule schaalgroottes worden gebruikt, kunnen exotische kwantumfenomenen worden waargenomen die in bulkmaterialen ontbreken. Er werd bijvoorbeeld theoretisch voorspeld dat individuele nanodraden kwantumfase-overgangen zouden ondergaan, waarbij de verandering in de toestand van het materiaal wordt veroorzaakt door kwantumfluctuaties en niet door temperatuur. Helaas bleven deze voorspellingen indirect omdat er tot voor kort geen instrument bestond dat directe observatie van supergeleiding en kwantumfase-overgangen in individuele nanodraden mogelijk zou maken.

"In ons eerdere werk dat vorig jaar in Nature Communications werd gepubliceerd, hebben we een experimentele techniek ontwikkeld die microgolven gebruikt om supergeleiding in nanodraden te induceren en te detecteren. Deze techniek is zeer uniek en stelt ons voor het eerst in staat om niet alleen te zeggen of een individuele nanodraad supergeleiding vertoont of niet, maar ook om verschillende karakteristieke kenmerken van supergeleidende nanodraden direct waar te nemen, waaronder de weerstandsvrije toestand, kritische stroom, energiekloof, enzovoort. Nu hebben we onze techniek verder verbeterd om de gevoeligheid te bereiken die directe observatie mogelijk maakt het effect van een extern magnetisch veld op een enkele supergeleidende nanodraad”, legt Evgeny Mishchenko, senior onderzoeker bij het Quantum Materials and Devices Lab van het Skoltech Center for Quantum Science and Technology, uit.

De wetenschappers namen individuele nanodraden gemaakt van aluminium – een veel voorkomende supergeleider – en gebruikten hun techniek om een ​​elektrische stroom langs de nanodraden toe te passen en tegelijkertijd te detecteren. Vervolgens stelden ze de nanodraden bloot aan een extern magnetisch veld en observeerden ze direct het ontstaan ​​en de evolutie van de weerstandsvrije toestand. Ze onthulden de ingewikkelde evolutie van de weerstandsvrije toestand als functie van de sterkte van het magnetische veld, wat door de theorie wordt verklaard.

"We werken al bijna tien jaar aan het perfectioneren van deze techniek, en ik ben erg opgewonden dat we hierdoor eindelijk de fundamentele fysica achter de werking van supergeleidende apparaten op nanoschaal rechtstreeks kunnen onderzoeken en begrijpen", zegt Alexander Golubov, een professor bij Skoltech. en het hoofd van het Quantum Materials and Devices Lab.

De wetenschappers benadrukken dat verdere ontwikkeling van de techniek de weg kan vrijmaken voor de praktische realisatie van quantum computing- en quantumcommunicatietechnologieën op basis van individuele supergeleidende nanodraden. Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat de waargenomen kwantumfase-overgang zeer veelbelovend is voor de realisatie van zogenaamde Majorana-fermionen die worden beschouwd als de meest haalbare kandidaten voor qubits in topologische kwantumcomputers.