Ученые из Московского физико-технического института в сотрудничестве с французскими исследователями из Университета Бордо осуществили новаторский эксперимент, в котором одиночные вихри Абрикосова в сверхпроводнике были подвергнуты воздействию оптическим методом.
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 эффект неполного вытеснения, за что в 2003 году он был удостоен Нобелевской премии. Материалы, в которых вытеснение неполное, называют сверхпроводниками второго рода. Кроме того, Абрикосов установил, что магнитное поле проникает в сверхпроводник лишь отдельными порциями — квантами магнитного потока. Повышение интенсивности магнитного поля приводит к образованию в сверхпроводнике кольцевых токов, известных 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 МФТИИван Вещунов, один из авторов статьи.
Для управления вихрями исследователи применяли сфокусированный лазерный луч. Вихри Абрикосова стремятся перемещаться в зоны с повышенной температурой, которые формировались в прогретых лазером областях тонких плёнок ниобия, охлаждённых до −268 градусов Цельсия. Ключевым аспектом является то, что перегрев образца приводит к разрушению сверхпроводимости, поэтому интенсивность лазерного излучения требует точной регулировки.
Вихри переносят элементарные кванты магнитного потока, что позволяет использовать их для формирования разнообразных конфигураций магнитного поля в физических исследованиях. Примером такой конфигурации, возникающей естественным образом, является треугольная решётка, которая формируется вихрями под воздействием определённого магнитного поля. Перемещение вихрей позволяет создавать новые типы решёток 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.
В профессиональной среде работу, выполненную учеными, принято называть « 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.