Сотрудники МФТИ, МГУ и ИФТТ РАН продемонстрировали возможность обнаружения проникновения абрикосовских вихрей через границу сверхпроводника и ферромагнетика. Для этого была разработана конструкция, включающая ферромагнитный нанопровод с подключенными к нему сверхпроводящими электродами.
Работа опубликована в Scientific Reports.
Материалы, демонстрирующие нулевое электрическое сопротивление при охлаждении ниже определенной критической температуры, известные как сверхпроводники, обладают уникальными свойствами. Одним из них является способность к левитации — выталкиванию магнитного поля из своей структуры. Этот эффект обусловлен возникновением тока на поверхности сверхпроводника, который создает эффект магнитного экранирования.
Существуют также материалы, известные как сверхпроводники второго рода. При температурах ниже критической они способны проводить магнитный поток в виде дискретных вихрей. Это явление впервые было предсказано физиком Алексеем Абрикосовым и получило его имя. Абрикосовский вихрь представляет собой вихревое течение сверхпроводящего тока, содержащее в своей центральной части область с отсутствием сверхпроводимости, в которой локализован квант магнитного потока.
Ольга Скрябина, первый автор работы и научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ, отмечает: «Наша работа была направлена на изучение особенностей одновременного проявления противоположных эффектов в одномерных структурах, состоящих из сверхпроводника и ферромагнетика. Эти системы в настоящее время привлекают значительное внимание, поскольку характеризуются сильной магнитной анизотропией и демонстрируют разнообразные размерные и спиновые эффекты.
Обнаруженные особенности делают эти материалы привлекательными для использования в функциональных гибридных наноустройствах, например, в сверхпроводящих преобразователях тока, спиновых затворах и магнитной памяти. Для проведения исследований был выбран нанопровод из никеля, обладающий свойствами ферромагнетика, с контактами из ниобия, который представляет собой сверхпроводник».
В ходе исследования ученые рассмотрели систему, состоящую из двух сверхпроводящих электродов из ниобия, связанных никелевым нанопроводом (рисунок 1). Было установлено, что при изменении магнитного поля величина изменения сопротивления нанопровода существенно определяется явлениями, возникающими в области границы между сверхпроводником и ферромагнетиком.
Изначально физики исследовали систему в равновесном состоянии, характеризующемся температурой, превышающей критическую, и равномерным проникновением магнитного поля во все ее элементы (рисунок 2а). При увеличении магнитного поля сопротивление образца изменялось незначительно. Последующее понижение температуры до уровня ниже критической привело к переходу ниобиевых электродов в сверхпроводящее состояние, что выразилось в обнулении их сопротивления. Одновременно экспериментаторы зарегистрировали значительное увеличение сопротивления всей системы.
Процесс мог быть обусловлен только вкладом в сопротивление на границе раздела «сверхпроводник — ферромагнетик». Одновременно по ниобию возникли экранирующие токи, что привело к началу выталкивания магнитного поля сверхпроводником (рисунок 2b). Данные эффекты объясняют пилообразную форму кривых магнитосопротивления и их смещение при разных направлениях приложения магнитного поля (рисунок 3).
Ольга Скрябина рассказывает: «Мы поместили образец в магнитное поле, ориентированное параллельно длинной оси нанопровода. Стало известно, что измерение сопротивления образца в таких условиях позволяет зафиксировать момент проникновения или вытекания кванта магнитного потока в сверхпроводящий электрод». Именно вход вихря в ниобий (рисунок 2с) или его выход из него и вызывает эту пилообразную форму электрического сопротивления. Никелевый нанопровод в данной системе выполняет роль «громоотвода», «притягивающего» магнитное поле. Его контакт ослабляет сверхпроводимость в ниобиевых электродах, тем самым локализуя место проникновения вихрей Абрикосова.
Результаты исследований выявили существенные различия между обычными электрическими схемами и сверхпроводящими цепями. Это подчеркивает важность углубленного изучения гибридных сверхпроводниковых устройств для развития сверхпроводящих цифровых и квантовых компьютеров, а также для создания высокочувствительных сенсоров.
Исследование проводилось при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Министерства образования и науки РФ.
Лаборатория топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ занимается теоретическими и экспериментальными исследованиями фундаментальных физических свойств гибридных сверхпроводящих наноструктур. Объекты исследований — металлические и полупроводниковые наноструктуры на основе контактов сверхпроводников с так называемыми топологическими изоляторами. Физика «топологически защищенных» квантовых состояний — бурно развивающаяся область науки, которая привлекает большой интерес из-за перспективы создания принципиально новых типов приборов для спинтроники и квантовых вычислений. Последнее особенно актуально, так как в настоящее время основной проблемой реализации квантовых вычислений в передовых лабораториях мира является потеря квантовой когерентности из-за взаимодействия с окружающей средой.