Сверхпроводящие вихри вызывают «торнадо» за границей

Ученые обнаружили проникновение квантовых вихрей сверхпроводящих токов — вихрей Абрикосова — из сверхпроводника в обычный металл, находящийся в контакте с веществом без сопротивления. Они впервые смогли создать модель, точно описывающую такие наведенные вихри. Эти результаты позволяют лучше понимать и описывать процессы, протекающие на границе раздела двух фаз твердого тела — сверхпроводящей и нормальной, — что важно для создания элементов будущих квантовых технологий. Работа российских ученых и их коллег из Франции опубликована в журнале Nature Communications.

Сверхпроводники — вещества, в которых при охлаждении полностью исчезает электрическое сопротивление, сегодня активно используются при создании особо мощных электромагнитов для томографов и ускорителей, в опытных линиях электропередач, поездах на магнитной подушке и в качестве сверхчувствительных датчиков. Пространственный масштаб квантовых свойств сверхпроводников позволяет создавать так называемые искусственные атомы или кубиты — основу будущих квантовых вычислительных систем. Развитие такой квантовой электроники невозможно без создания точного математического аппарата, способного рассчитывать протекающие микроскопические процессы как в самом сверхпроводнике, так и в системах, где сверхпроводник контактирует с другими материалами. Именно поэтому систему «сверхпроводник/нормальный металл» активно изучают как прообраз многих иных, более сложных, систем.

Контакт нормального металла со сверхпроводником сильно меняет свойства обоих материалов в сравнительно толстом по меркам микромира слое — на глубине до нескольких сотен нанометров. Металл обретает «сверхпроводящие» свойства, например, способность пропускать ток без сопротивления. Однако то, как металл приобретает другие качества квантового материала, такие как квантовые вихри тока, оставалось неисследованным.

«Основным результатом нашего исследования является то, что мы с высокой точностью показали, как ведет себя вихрь токов, индуцированных в слое нормального металла, — поясняет соавтор работы Василий Столяров из МФТИ. — Для этого мы нашли способ, как правильно приготовить образец, да так, чтобы мы смогли его еще и смоделировать. Оказалось, что наша теоретическая модель, основанная на уравнении Узаделя, с большой точностью самосогласованно описывает процессы, протекающие на границе сверхпроводник/нормальный металл, и учитывает влияние циркулирующих экранирующих токов, а значит, ее можно смело использовать на практике. Кроме того исследования помогли глубже понять физический смысл некоторых параметров уравнения Узаделя».

Используя сканирующий туннельный микроскоп, работающий при сверхнизких температурах, ученые получили спектральные нанокарты распределения «нормальных» и «сверхпроводящих» электронов на поверхности пленки металла, которая предварительно была нанесена на сверхпроводник. Эти карты доказали, что в металле есть наведенные квантовые вихри, похожие на вихри Абрикосова в сверхпроводниках.

«Эксперименты стали возможны благодаря прогрессу в области сканирующей туннельной микроскопии, — комментирует Столяров. — Это позволило уверенно работать при сверхнизких температурах и в условиях сверхвысокого вакуума (давление 10^—11 миллибар). Такие условия сохраняют поверхность атомно-чистой достаточно долгое время, а также позволяют работать ниже критической температуры сверхпроводящего перехода исследуемых объектов».

Результаты эксперимента согласуются с компьютерным моделированием, которое также продемонстрировало появление вихрей в металле в точности над теми местами, где сформировался вихрь в сверхпроводнике. Кроме того, исследователи проследили за поведением таких вихрей при изменении температуры, толщины пленки нормального металла и для разных значений внешнего магнитного поля, что позволило получить более детальное представление об этом явлении.

Работа выполнена при поддержке Национального агентства по исследованию ANR Франции, Министерства образования и науки РФ, а также РНФ и РФФИ.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.