Физики сформировали буквы из вихрей Абрикосова с помощью лазерного пинцета

Новости МирТесен

Сотрудники Московского физико-технического института совместно с французскими исследователями из Университета Бордо осуществили новаторский эксперимент, в котором одиночные вихри Абрикосова были управляемы с помощью оптических методов в сверхпроводящем материале.

В статье, опубликованной в Nature Communications, по мнению исследователей, для суперкомпьютеров можно разработать принципиально новые квантовые логические элементы.

Сверхпроводимость, характеризующаяся полным отсутствием электрического сопротивления, проявляется в различных материалах при низких температурах, варьирующихся от −273о до −70о по Цельсию. При переходе в сверхпроводящее состояние происходит вытеснение магнитного поля из объема материала. Это вытеснение может быть полным, когда магнитное поле внутри сверхпроводника отсутствует, или неполным.

В 1957 году Алексей Абрикосов объяснил явление неполного вытеснения, за что в 2003 году был удостоен Нобелевской премии. Материалы, демонстрирующие неполное вытеснение, классифицируются как сверхпроводники второго рода. Кроме того, Абрикосов установил, что проникновение магнитного поля происходит дискретно, порциями, соответствующими квантам магнитного потока. При увеличении величины магнитного поля в сверхпроводнике формируются кольцевые токи, известные как вихри Абрикосова.

«Сверхпроводники второго рода находят применение в различных областях, включая медицину, энергетику и другие отрасли промышленности. Характеристики этих материалов определяются так называемой «вихревой материей». Именно поэтому контроль и изучение этой структуры являются приоритетными задачами современной физики», — говорит сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Иван Вещунов, являющийся одним из соавторов публикации.

Для манипулирования вихрями ученые применили сфокусированный лазерный луч. Вихри Абрикосова демонстрируют склонность к перемещению в зоны повышенной температуры, которые формировались в прогретых лазером областях тонких плёнок ниобия, предварительно охлаждённых до −268 градусов Цельсия. Ключевым условием является необходимость точной регулировки интенсивности лазерного излучения, поскольку перегрев образца приводит к разрушению сверхпроводимости.

Поскольку вихри представляют собой носители элементарного кванта магнитного потока, они могут использоваться для формирования различных конфигураций магнитного поля в исследовательских целях. Примером такой конфигурации является самоорганизующаяся треугольная решётка, возникающая при определенной величине внешнего магнитного поля. Перемещение вихрей позволяет создавать новые типы структур или вихревых линз.

Авторы отмечают, что разработанный процесс может найти применение в создании оптических систем для быстрой одноквантовой логики (БОК-логики), являющейся одним из перспективных подходов к созданию квантовых компьютеров. Данная технология рассматривается как наиболее вероятный кандидат на роль сверхбыстрой памяти для квантовых вычислительных устройств. В настоящее время элементы БОК-логики применяются в цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях, высокоточных магнитометрах и устройствах памяти. Также существуют прототипы вычислительных машин, в частности, американский компьютер FLUX-1. Однако в этих устройствах управление схемами БОК-логики, как правило, осуществляется посредством электрических импульсов. Оптическое управление является одним из ключевых направлений развития сверхпроводящих систем.

Осуществлённая учёными работа имеет профессиональное обозначение « proof of concept» — это позволит оценить применимость метода для дальнейшего исследования вихрей Абрикосова. Физикам необходимо установить, каким образом повышение температуры приводит к смещению вихрей, изучить характеристики образуемых ими решёток и понять их динамические свойства. Решение этих вопросов критически важно для понимания физики сверхпроводников и разработки принципиально новых компонентов микроэлектроники, основанных на них.