Supraledning är ett tillstånd av perfekt elektrisk ledningsförmåga som uppvisas av vissa material, kallade supraledare, när de kyls under en karakteristisk kritisk temperatur. Under den kritiska temperaturen sjunker det elektriska motståndet hos en supraledare till exakt noll och den kan leda en elektrisk ström utan några förluster (så länge strömmen inte överstiger ett kritiskt värde). Detta fenomen är hörnstenen i många moderna teknologier såsom kraftfulla magneter, ultrakänsliga detektorer av magnetiska fält (SQUIDs) och höghastighets digitala enheter.
Individuella nanotrådar (trådar med dimensioner i storleksordningen miljarddelar av en meter) gjorda av supraledare har aktivt studerats under de senaste två decennierna. När supraledare används i så små skalor kan man observera exotiska kvantfenomen som saknas i bulkmaterial. Till exempel förutspåddes individuella nanotrådar teoretiskt att genomgå kvantfasövergångar, förändringen i materialets tillstånd driven av kvantfluktuationer, inte temperatur. Tyvärr förblev dessa förutsägelser indirekta eftersom det tills nyligen inte fanns något verktyg som skulle möjliggöra direkt observation av supraledning och kvantfasövergångar i individuella nanotrådar.
"I vårt tidigare arbete som rapporterades förra året i Nature Communications, utvecklade vi en experimentell teknik som använder mikrovågor för att inducera och detektera supraledning i nanotrådar. Denna teknik är mycket unik, och den tillåter oss för första gången inte bara att säga om en enskild nanotråd visar supraledning eller inte, men också att direkt observera olika karakteristiska egenskaper hos supraledande nanotrådar, inklusive det motståndsfria tillståndet, kritisk ström, energigap, och så vidare. Nu har vi ytterligare förbättrat vår teknik för att nå den känslighet som möjliggör direkt observation av effekten av ett externt magnetfält på en enda supraledande nanotråd," förklarar Evgeny Mishchenko, senior forskare vid Quantum Materials and Devices Lab vid Skoltech Center for Quantum Science and Technology.
Forskarna tog individuella nanotrådar gjorda av aluminium - en vanlig supraledare - och använde sin teknik för att applicera och samtidigt detektera en elektrisk ström längs nanotrådarna. De exponerade sedan nanotrådarna för ett externt magnetfält och observerade direkt uppkomsten och utvecklingen av det motståndsfria tillståndet. De avslöjade den invecklade utvecklingen av det motståndsfria tillståndet som en funktion av styrkan hos magnetfältet, vilket förklaras av teorin.
"Vi har arbetat med att fullända den här tekniken i nästan ett decennium, och jag är väldigt glad över att den äntligen ger oss möjlighet att direkt utforska och förstå den grundläggande fysiken bakom driften av supraledande enheter i nanoskala", säger Alexander Golubov, professor vid Skoltech och chefen för Quantum Materials and Devices Lab.
Forskarna betonar att ytterligare utveckling av tekniken kan bana väg mot praktiskt förverkligande av kvantberäknings- och kvantkommunikationsteknologier baserade på individuella supraledarennotrådar. Till exempel tros den observerade kvantfasövergången vara mycket lovande för realiseringen av så kallade Majorana-fermioner som anses vara de mest livskraftiga kandidaterna för qubits i topologisk kvantberäkning.
