Ученые из Японии обнаружили, что микроскопические ступени высотой в один атом на поверхности сверхпроводника могут работать как «рельсы» для квантовых вихрей. В определенных условиях вихри движутся вдоль этих ступеней более чем в тысячу раз легче, чем поперек. Этим эффектом можно управлять, меняя температуру или магнитное поле.
Открытие сделали исследователи из Центра наноархитектоники материалов (MANA) при Национальном институте материаловедения Японии (NIMS). Их работа предлагает новый подход к управлению квантовыми процессами и может помочь в создании сверхпроводящей электроники, которая будет обрабатывать информацию эффективнее и потреблять значительно меньше энергии.
Сверхпроводники – это материалы, способные проводить электрический ток без сопротивления при охлаждении ниже критической температуры. Однако при проникновении магнитного поля в них образуются квантовые структуры – вихри. Движение этих вихрей создает электрическое сопротивление, что ухудшает рабочие характеристики материала. Поэтому возможность контролировать их перемещение критически важна для улучшения сверхпроводниковых устройств, особенно сверхтонких, где эта задача до сих пор была особенно сложной.
Группа под руководством Такаси Утихаси изучала сверхтонкий сверхпроводник, на поверхности которого были расположены равномерные параллельные ступени атомной высоты. С помощью сканирующего туннельного микроскопа, который позволяет получать изображения с атомарным разрешением, ученые подтвердили наличие ступеней и увидели, что вихри выстраиваются вдоль них.
Эксперименты показали, что при средних значениях магнитного поля вихрям более чем в 1000 раз проще двигаться вдоль атомных ступеней, чем пересекать их. В диапазоне от 0,10 до 0,20 тесла вихри текли по этим «рельсам» свободно, не задерживаясь на дефектах материала. Такое поведение известно как одномерный поток без пиннинга.
При самых низких температурах исследователи зафиксировали еще один эффект: движение вихрей подчинялось законам квантового туннелирования, при котором частицы преодолевают энергетические барьеры, непроходимые с точки зрения классической физики. Результаты опубликованы в журнале Physical Review B.
Работа показывает, что даже дефект поверхности высотой в один атом может кардинально влиять на поведение квантовых систем. Использование таких ступеней в качестве направляющих открывает путь к точному контролю над движением вихрей и тепловыми потоками в сверхпроводниках, что в перспективе позволит создавать более энергоэффективные устройства.
