Vortexurile electronice cuantice în supraconductori: descoperirea unor fenomene de circulație fără precedent

Cercetătorii au redefinit înțelegerea noastră cu privire la vortexurile cuantice din supraconductori, arătând că acestea pot conține flux cuantic parțial, spre deosebire de teoriile anterioare. Această descoperire revoluționară, care implică manipularea vortexurilor cuantice, deschide noi aplicații potențiale în electronica supraconductivă și în calcul.

În interiorul supraconductorilor, pot apărea tornade minuscule de electroni, cunoscute sub numele de vortexuri cuantice, ceea ce are implicații importante pentru aplicațiile supraconductoare, cum ar fi senzorii cuantici. Un nou tip de vortex supraconductor a fost găsit acum, a raportat o echipă internațională de cercetători.

Egor Babaev, profesor la Institutul Regal de Tehnologie KTH din Stockholm, spune că studiul analizează înțelegerea predominantă a modului în care are loc fluxul electronic în supraconductori, pe baza lucrărilor asupra vârtejurilor cuantice care au fost recunoscute la premiul Nobel în 2003. Cercetătorii de la KTH, împreună cu Împreună cu cercetătorii de la Universitatea Stanford, Institutul TD Lee din Shanghai și AIST din Tsukuba, ei arată că fluxul magnetic generat de vârtejuri dintr-un supraconductor poate fi împărțit într-o gamă mai largă de valori decât era de așteptat.

Aceasta reprezintă o nouă perspectivă asupra fundamentelor supraconductivității și poate fi aplicată și în electronica supraconductoare.

Vortexul fluxului magnetic apare atunci când un câmp magnetic extern este aplicat unui supraconductor. Câmpul magnetic pătrunde în supraconductor sub formă de tuburi de flux magnetic cuantic care formează vârtejuri. Inițial, spune Babayev, cercetarea a confirmat că vortexurile cuantice trec prin supraconductori, fiecare purtând un singur cuantum de flux magnetic. Dar fracțiile arbitrare ale fluxului cuantic nu au fost o posibilitate prezentată de teoriile anterioare ale supraconductivității.

Folosind dispozitivul de interferență cuantică supraconductivă (SQUID) de la Universitatea Stanford, coautorii Yosuke Iguchi și profesorul Kathryn A. Mueller au arătat la nivel microscopic că vortexurile cuantice pot exista într-o singură bandă de electroni. Echipa a reușit să creeze și să se deplaseze prin aceste vortexuri cuantice fractale, spune Muller.

„Profesorul Babaev mi-a spus cu ani în urmă că am putea vedea așa ceva, dar nu am crezut până când dr. Iguchi nu a văzut-o și a făcut o serie de examinări detaliate”, spune ea.

Cercetătorii de la Stanford au descoperit că observația inițială a acestui fenomen este „incredibil de neobișnuită”, spune Iguchi, atât de mult încât au repetat experimentul de 75 de ori în diferite locații și temperaturi.

Lucrarea confirmă o predicție publicată de Babayev în urmă cu 20 de ani, care afirma că, în anumite tipuri de cristale, o parte a unui grup de electroni a unui material supraconductor poate forma un vârtej în sensul acelor de ceasornic, în timp ce alți electroni pot forma un vârtej în sensul acelor de ceasornic într-un timp. „În combinație, aceste uragane cuantice pot transporta o fracțiune arbitrară din cantitatea de flux”, spune el.

„Acest lucru revizuiește înțelegerea noastră despre vortexurile cuantice din supraconductori”, spune el.

Mueller a confirmat această concluzie. „M-am uitat la vortexurile din supraconductori noi de mai bine de 25 de ani și nu am mai văzut așa ceva până acum”, spune ea.

Puterea și controlabilitatea vârtejurilor cuantice, spune Babayev, sugerează că vârtejurile cuantice pot fi folosite ca purtători de informații în computerele supraconductoare.

„Cunoștințele pe care le dobândim și metodele minunate prezentate de colegii noștri dr. Iguchi și profesorul Moller de la Universitatea Stanford, pot fi utile pe termen lung pentru anumite platforme de calcul cuantic”, spune Babayev.

Referință: „Vârtejuri supraconductoare care poartă o porțiune dependentă de temperatură a cantității de curgere” de Yosuke Iguchi și Robby A. Mueller, 1 iunie 2023, disponibil aici. Științe.
DOI: 10.1126/science.abp9979