Физики разработали новый экзотический материал, в котором сочетаются сверхпроводимость и магнетизм. Это сочетание двух обычно несовместимых состояний привело к созданию стабильного сверхпроводника, усиленного магнетизмом, функции которого можно особым образом контролировать с помощью магнетизма. Этот прорыв может иметь серьезные последствия для квантовых вычислений, обеспечивая большую стабильность кубитов (квантовых битов).
Сверхпроводники характеризуются способностью проводить электричество без электрического сопротивления (способность материала «тормозить» электрический ток) и магнитной индукцией. Сверхпроводимость означает, что электричество может передаваться без потери энергии. Эти свойства делают их идеальными материалами для электронных компонентов в устройствах магнитно-резонансной томографии (МРТ), поездах магнитной левитации и ускорителях частиц.
Однако эффективность обычных сверхпроводников значительно снижается из-за наличия внешнего магнитного поля. В частности, оно не позволяет контролировать поток электронов через материал. Исследователи из Вюрцбургского университета в Германии предполагают, что преодолеть это ограничение можно, вызвав состояние, известное как «фаза Фульда-Феррелла-Ларкина-Овчинникова (p-FFLO)». Это экзотическое состояние, в котором сверхпроводимость и магнетизм — два обычно несовместимых явления — могут сосуществовать в одном и том же материале. Чтобы достичь этого, материал должен быть гибридом, сочетающим сверхпроводимость и несверхпроводимость.
В своем новом исследовании, проведенном в сотрудничестве с Международным физическим центром Доностии (Испания) и Университетом Дефта (Нидерланды), немецкие ученые разработали гибридный сверхпроводник с состоянием p-FFLO. Вместо того чтобы нарушаться от присутствия магнитного поля, материал может им управлять. «Благодаря внешнему магнитному полю мы теперь можем точно контролировать сверхпроводящие свойства. Это настоящий прорыв в квантовой физике«, — объясняет в пресс-релизе Вюрцбургского университета Чарльз Гулд, соавтор исследования, результаты которого подробно изложены в журнале Nature Physics.
Гибридный материал, обеспечивающий высокий уровень контроля
Для создания нового материала исследователи объединили сверхпроводник с полупроводником, так называемым «топологическим изолятором». Топологические изоляторы — это материалы с особым расположением электронов, позволяющим им проводить электричество только на поверхности, но не внутри. Материал, использованный в данном исследовании, имеет двумерную структуру, состоящую из ртути, марганца и теллура.
Сочетание с топологическим изолятором позволило материалу сформировать «джозефсоновские переходы» — свойство, позволяющее вызывать состояние p-FFLO. Более конкретно, эти переходы образуются, когда сверхпроводящие части материала разделены тонким слоем другого несверхпроводящего материала (топологического изолятора), что позволяет достичь высокого уровня контроля.
Экспериментальная установка для исследования.
«Это позволило нам объединить свойства сверхпроводимости и полупроводников«, — объясняет Гулд. «Таким образом, мы сочетаем преимущества сверхпроводника с управляемостью топологического изолятора«, — добавляет он. Встроив магнитные атомы в топологический изолятор, можно с большой точностью управлять материалом, наводя слабое внешнее магнитное поле.
По мнению экспертов, эти результаты позволят изучать состояние FFLO в более доступных экспериментальных условиях. В конечном итоге это может привести к применению квантовых компьютеров для повышения их производительности. В отличие от обычных компьютеров, квантовые компьютеры используют квантовые биты (кубиты) для хранения информации. Однако квантовые биты чрезвычайно чувствительны к внешним помехам, таким как магнитные поля. «Наше открытие может помочь стабилизировать квантовые биты, чтобы в будущем они могли более эффективно использоваться в квантовых компьютерах«, — заключает Гулд.
