MIPT-fysiker har lärt sig hur man lokalt kontrollerar Josephson-virvlar. Upptäckten kan användas för kvantelektronik supraledande enheter och framtida kvantprocessorer. Verket har publicerats i den prestigefyllda vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

En Josephson-virvel är en virvel av strömmar som uppstår i ett system av två supraledare åtskilda av en svag länk - en dielektrikum, en vanlig metall, etc. – i närvaro av ett externt magnetfält. 1962, Brian Josephson förutspådde flödet av en superström genom ett tunt skikt av isolerande material som separerade två stycken supraledande material. Denna ström fick namnet Josephsonströmmen, och kopplingen av supraledare döptes till en Josephson-övergång. En så kallad svag länk uppstår mellan de två supraledarna genom en dielektrikum eller en icke-supraledande metall, och makroskopisk kvantkoherens utvecklas.

När detta system placeras i ett magnetfält, supraledarna trycker ut magnetfältet. Ju större magnetfält som appliceras, ju mer supraledningsförmågan motstår magnetfältet som tränger in i Josephson-systemet. Dock, den svaga länken är en plats där fältet kan penetrera i form av individuella Josephson-virvlar som bär magnetiska flödeskvantor. Josephson-virvlar ses ofta som verkliga topologiska objekt, 2 pi-fas singulariteter som är svåra att observera och manipulera.

Forskare från MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems använde ett magnetiskt kraftmikroskop för att studera Josephson-virvlar i ett system av två supraledande niobkontakter sammanlagda med ett kopparskikt som fungerar som en svag länk.

"Vi har visat att i de plana (platta) supraledare-normala metall-supraledare-kontakterna, Josephson virvlar har ett unikt avtryck, sa tidningens senior författare, Vasily Stolyarov från MIPT. "Vi hittade detta genom att observera dessa strukturer med ett magnetiskt kraftmikroskop. Baserat på denna upptäckt, vi visade möjligheten att lokalt generera Josephson-virvlar, som kan manipuleras med den magnetiska konsolen i ett mikroskop. Vår forskning är ytterligare ett steg mot att skapa framtida supraledande kvantdatormaskiner."

Mångfalden av ultrakänsliga supraledande enheter, qubits, och arkitekturer för kvantberäkning växer snabbt. Det förväntas att supraledande kvantelektroniska enheter kommer att utmana konventionella halvledarenheter mycket snart. Dessa nya enheter kommer att förlita sig på Josephson-korsningar som den som indikeras av den gula stängda pilen i figur 1.

"Det är ganska svårt att visualisera Josephson-virvlar, eftersom de är dåligt lokaliserade, " tillade Stolyarov. "Vi upptäckte ett sätt att mäta försvinnandet som uppstår under skapandet och förstörelsen av en sådan virvel i området med svaga länkar. Förlust är en mindre frigöring av energi. I vårat fall, energin frigörs när en virvel rör sig i en plan Josephson-kontakt. Således, med hjälp av vårt magnetiska kraftmikroskop, vi kan framgångsrikt upptäcka inte bara det statiska magnetiska porträttet av den supraledande strukturen utan också de dynamiska processerna i den."

Författarna till artikeln demonstrerade en metod för fjärrgenerering, upptäckt, och manipulering av Josephson-virvlar i plana Josephson-korsningar med hjälp av ett lågtemperaturmikroskop med magnetisk kraft. Med vissa parametrar (sondplats, temperatur, yttre magnetfält, elektrisk ström flyter genom provet), teamet observerade ett särskilt svar från mikroskopets konsol. Detta följdes av uppkomsten av skarpa ringar/bågar i bilderna. Forskarna identifierade dessa egenskaper som bifurkationspunkter mellan angränsande Josephson-stater som kännetecknas av ett annat antal eller position av Josephson-virvlar inuti korsningen. Processen åtföljs av utbyte av energi mellan konsolen och provet vid bifurkationspunkterna och visar att ett magnetiskt kraftmikroskop kan ge unik information om tillståndet hos en Josephson-virvel.

Det förväntas att resultaten av forskningen kommer att fungera som en drivkraft och en grund för att utveckla nya metoder för lokal beröringsfri diagnostik och hantering av moderna supraledande enheter och supraledande kvantelektronik.