Ученые приручили вихри Джозефсона

Иллюстрация. Дизайнер — Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

Физики из МФТИ показали возможность локального управления Джозефсоновскими вихрями. Открытие может быть востребовано в сверхпроводящих устройствах квантовой электроники, в будущих квантовых процессорах. Работа опубликована в престижном научном журнале Nature Communications.

Джозефсоновский вихрь — это вихрь токов, возникающий в системе из двух сверхпроводников, разделенных слабой связью (диэлектриком, нормальным металлом и др.) в присутствии внешнего магнитного поля. В 1962 году Джозефсон предсказал эффект протекания сверхпроводящего тока через тонкий слой изолятора, разделяющий два сверхпроводника. Такой ток назвали джозефсоновским током, а такое соединение сверхпроводников — джозефсоновским контактом. Между двумя сверхпроводниками через диэлектрик или металл, не являющийся сверхпроводником, образуется связь, называемая слабой, и устанавливается макроскопическая квантовая когерентность. Когда эту систему помещают в магнитное поле, сверхпроводники магнитное поле выталкивают.  Чем большее магнитное поле прикладывается, тем больше сверхпроводимость сопротивляется проникновению магнитного поля в джозефсоновскую систему. Однако слабая связь — это место, в которое поле может проникнуть в виде отдельных джозефсоновских вихрей, несущих квант магнитного потока. Вихри Джозефсона часто рассматриваются как настоящие топологические объекты, 2π-фазовые сингулярности, наблюдение и манипулирование которыми достаточно сложно.

Ученые из лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ решили применить магнитно-силовой микроскоп (МСМ) для изучения джозефсоновских вихрей в системе из двух сверхпроводящих контактов из ниобия и прослойки из меди (Nb/Cu/Nb), играющей роль слабой связи. 

Василий Столяров , руководитель исследования, заместитель заведующего лабораторией топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ говорит: «Мы показали, что в планарных (плоских) контактах “сверхпроводник — нормальный металл — сверхпроводник” джозефсоновские вихри имеют своеобразный отпечаток. Он был обнаружен при проведении магнитно-силовой микроскопии таких структур. Основываясь на этом открытии, мы продемонстрировали возможность локальной генерации джозефсоновского вихря и манипулирования им магнитным кантилевером микроскопа. Наше исследование — это еще один шаг к созданию будущих сверхпроводящих квантовых вычислителей».

Разнообразие сверхчувствительных сверхпроводящих устройств, кубитов и архитектур для квантовых вычислений быстро растет. Ожидается, что устройства сверхпроводящей квантовой электроники в ближайшем будущем бросят вызов обычным полупроводниковым устройствам. Джозефсоновские контакты являются строительными блоками подобных устройств.

Рисунок 1. Экспериментальная установка: ниобий Nb (синий), медь Cu (оранжевый). Эллипс отмечает область Джозефсоновского перехода. Игла магнитно-силового микроскопа с магнитным покрытием из Co/Cr колеблется пьезоэлементом (dither); оптоволокно используется для считывания колебаний. Источник:  Nature Communications

Василий Столяров добавляет: «Визуализировать джозефсоновские вихри достаточно сложно, поскольку они плохо локализованы. Мы нашли способ измерять диссипацию, возникающую при рождении / уничтожении такого вихря в области слабой связи. Диссипация — это небольшое выделение энергии. В нашем случае выделение энергии происходит при движении вихря в планарном джозефсоновском контакте. Таким образом, при помощи нашего магнитно-силового микроскопа мы хорошо детектируем не только статический магнитный портрет сверхпроводящей структуры, но и динамические процессы в ней». 

Рисунок 2. Детектирование Джозефсоновских вихрей. (a) — топографическое изображение структуры, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии. (b-с) — магнитно-силовые изображения фазового контраста (измерялось изменение фазы колебаний кантилевера). (b) — образец был охлажден во внешнем магнитном поле 90 Э. Небольшие отдельные белые кружки — вихри Абрикосова. (c) — приложено магнитное поле 90 Э после того, как образец был охлажден в нулевом внешнем магнитном поле. В окрестности перехода появилось несколько черных колец, являющихся резким падением фазы колебания иглы, когда она находится в определенных местах. (d) — в нулевом внешнем магнитном поле. Видны несколько колец, демонстрирующих влияние собственного магнитного поля иглы на структуру. (e) — распределение фазового сигнала вдоль линии, показанной красной стрелкой на (d). Каждое падение фазы определяет границы между разными конфигурациями с разным числом Джозефсоновских вихрей n=0, 1, 2.  (f) — зависимость фазы колебаний иглы от ее высоты над поверхностью, когда игла находится над центром структуры.  Источник:  Nature Communications

Авторы работы показали способ дистанционной генерации, детектирования и манипулирования джозефсоновскими вихрями в планарных джозефсоновских переходах с использованием низкотемпературного магнитно-силового микроскопа. 

При определенных параметрах (местоположение зонда, температура, внешнее магнитное поле, электрический ток через образец) ученые наблюдали особый отклик кантилевера микроскопа. Это сопровождалось появлением резких колец/дуг на изображениях.

Исследователи идентифицировали эти особенности как точки бифуркации между соседними джозефсоновскими состояниями, характеризующиеся различным числом или положением джозефсоновских вихрей внутри перехода. Процесс сопровождается обменом энергии кантилевера с образцом в точках бифуркации и демонстрирует, что магнитно-силовой микроскоп может предоставить уникальную информацию о состоянии вихря Джозефсона. 

Ожидается, что результаты работы послужат толчком для разработки новых, основанных на открытии авторов методов локальной бесконтактной диагностики и управления современными сверхпроводящими устройствами и сверхпроводниковой квантовой электроникой.

При поддержке Российского научного фонда и Министерства образования и науки РФ.