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 .
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.
«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.