Суперпроводящий переход из одномерного материала: новая физика для квантовых вычислений

Сверхпроводимость — явление, при котором материал полностью теряет сопротивление электрическому току при достаточно низкой температуре. Это позволяет создавать мощные магниты, эффективные энергетические линии и быстрые компьютеры. Однако механизм, лежащий в основе сверхпроводимости, до сих пор не полностью понят, особенно для материалов, которые становятся сверхпроводящими при относительно высоких температурах.


Один из способов изучения сверхпроводимости — создание сверхпроводящих переходов, то есть соединений между двумя сверхпроводящими материалами, разделенными тонким слоем изолятора. Такие переходы обладают уникальными свойствами, такими как эффект Джозефсона, который заключается в том, что ток может протекать через переход без потерь энергии, даже если напряжение равно нулю. Этот эффект используется для создания квантовых битов (кубитов), основных элементов квантовых компьютеров.

Большинство сверхпроводящих переходов сделаны из трехмерных материалов, таких как алюминий или ниобий. Однако недавно физики из RIKEN, японского национального института естественных наук, продемонстрировали, что можно создать сверхпроводящий переход из одного двумерного материала, называемого транзистором на основе молекулярного биметалла (MBT). Этот материал состоит из двух слоев металлических молекул, соединенных между собой атомами кислорода. При температуре ниже 20 К (-253 °C) этот материал становится сверхпроводящим.

Когда материал существует в виде ультратонкого слоя — всего один или несколько атомов — он имеет совершенно отличные свойства от более толстых образцов того же материала. Это потому, что ограничение электронов 2D-плоскостью порождает экзотические состояния. Из-за своих плоских размеров и широкой совместимости с существующими полупроводниковыми технологиями такие 2D-материалы являются перспективными для использования в новых электронных устройствах.

Эти свойства включают в себя квантовые спиновые изоляторы Холла, которые проводят электричество вдоль своих краев, но электрически изолированы в своих интерьерах. Такие системы в сочетании со сверхпроводимостью были предложены в качестве пути к инженерным топологическим сверхпроводящим состояниям, которые имеют потенциальное применение в будущих топологических квантовых компьютерах.

Исследователи использовали метод, называемый эпитаксиальным ростом, для создания сверхпроводника из монокристалла вольфрамового теллурида. Затем они сконфигурировали этот кристалл так, чтобы создать два сверхпроводника, разделенных тонким слоем изолятора. Эпитаксиальный рост — метод, при котором слой материала выращивается на поверхности другого материала.

Ученые обнаружили, что ток через переход зависит от напряжения и магнитного поля, как и в обычных сверхпроводящих переходах. Они также обратили внимание, что ток через переход зависит от направления магнитного поля относительно плоскости MBT. Это свидетельствует о том, что в переходе возникают необычные состояния материи, называемые паритетно-нечетными сверхпроводящими состояниями. Этим термином принято обозначать состояния, в которых электроны, образующие сверхпроводящий ток, имеют разную спиновую ориентацию и разный импульс.

Это противоречит обычной теории сверхпроводимости, которая предполагает, что электроны образуют пары с противоположными спинами и импульсами, называемые пары Купера. Паритетно-нечетные сверхпроводящие состояния могут возникать в двумерных материалах под влиянием сильных взаимодействий между электронами и квантовых флуктуаций.

Паритетно-нечетные сверхпроводящие состояния имеют ряд интересных свойств, таких как возможность создавать квантовые запутанные состояния между электронами, которые могут быть использованы для квантовой связи и вычислений. Однако эти состояния очень сложно обнаружить и изучить экспериментально, так как они чувствительны к внешним возмущениям, таким как тепло и шум. Сверхпроводящий переход из MBT, созданный физиками из RIKEN, представляет собой новую платформу для исследования этих состояний и их потенциальных приложений.

Сверхпроводящий переход из одного двумерного материала обещает использовать странную новую физику, которая может открыть новые горизонты в области квантовых технологий. Ученые из RIKEN надеются, что их работа стимулирует дальнейшие исследования сверхпроводимости в двумерных материалах и способствует развитию квантовых компьютеров, которые могут решать задачи, недоступные для классических компьютеров.

Технология, использованная исследователями из RIKEN, является относительно простой и может быть легко масштабирована. Это означает, что ее можно использовать для создания сверхпроводящих переходов из других 2D материалов.