Ступеньки высотой в один атом проложили «шоссе» для квантовых вихрей в сверхпроводниках

Учёные из японского центра MANA обнаружили, что крошечные ступеньки высотой в один атом могут направлять движение квантовых вихрей в сверхпроводниках

Атомные ступеньки действуют как микроскопические рельсы: при определённых условиях квантовые вихри перемещаются вдоль них в тысячу раз легче, чем поперёк. Эффект можно регулировать, меняя температуру или магнитное поле.

Сверхпроводники — это материалы, которые при охлаждении ниже критической температуры проводят электричество без сопротивления, поэтому они перспективны для энергоэффективной электроники. Однако в них возникают квантовые вихри — крошечные завихрения тока, через которые в сверхпроводник проникает магнитное поле. Когда вихри перемещаются, появляется электрическое сопротивление, и это мешает работе сверхпроводника.

Чтобы изучить проблему, команда под руководством Такаси Утихаси исследовала сверхтонкий сверхпроводник с регулярно расположенными атомными ступеньками. С помощью сканирующей туннельной микроскопии (метода, позволяющего получать изображения поверхностей на атомном уровне) учёные подтвердили, что ступеньки расположены параллельно друг другу, и напрямую наблюдали вихри вдоль них.

Особенно интересным оказалось поведение вихрей в магнитном поле от 0,10 до 0,20 тесла: в этом диапазоне они могли свободно перемещаться вдоль ступенек, не застревая из-за дефектов материала. При самых низких температурах движение вихрей определялось квантовым туннелированием — явлением, при котором квантовые объекты способны преодолевать энергетические барьеры, непреодолимые по законам классической физики.

Открытие может помочь в создании сверхпроводящей электроники нового поколения — более энергоэффективной и производительной. Хотя до практического применения ещё далеко, подход с использованием атомных ступенек в перспективе позволит управлять движением вихрей и тепловым потоком в сверхпроводящих технологиях.

Источник: ScienceDaily