Crédito:Elena Khavina / Oficina de prensa del MIPT
Los físicos de MIPT han aprendido a controlar localmente los vórtices de Josephson. El descubrimiento se puede utilizar para dispositivos superconductores de electrónica cuántica y futuros procesadores cuánticos. El trabajo ha sido publicado en la prestigiosa revista científica Comunicaciones de la naturaleza .
Un vórtice de Josephson es un vórtice de corrientes que ocurren en un sistema de dos superconductores separados por un eslabón débil:un dieléctrico, un metal normal, etc. — en presencia de un campo magnético externo. En 1962, Brian Josephson predijo el flujo de una supercorriente a través de una fina capa de material aislante que separa dos piezas de material superconductor. Esta corriente se llamó la corriente de Josephson, y el acoplamiento de superconductores se denominó unión de Josephson. Se produce un enlace débil entre los dos superconductores a través de un dieléctrico o un metal no superconductor, y se desarrolla la coherencia cuántica macroscópica.
Cuando este sistema se coloca en un campo magnético, los superconductores expulsan el campo magnético. Cuanto mayor sea el campo magnético aplicado, cuanto más se resiste la superconductividad al campo magnético que penetra en el sistema Josephson. Sin embargo, el eslabón débil es un lugar en el que el campo puede penetrar en forma de vórtices de Josephson individuales que llevan cuantos de flujo magnético. Los vórtices de Josephson se ven a menudo como objetos topológicos reales, 2 singularidades de fase pi que son difíciles de observar y manipular.
Investigadores del Laboratorio MIPT de Fenómenos Topológicos Cuánticos en Sistemas Superconductores aplicaron un microscopio de fuerza magnética para estudiar los vórtices de Josephson en un sistema de dos contactos superconductores de niobio intercalados con una capa de cobre que actúa como un eslabón débil.
Configuración experimental. El azul y el naranja indican niobio y cobre, respectivamente. La elipse marca el área del cruce de Josephson. La punta recubierta de cobalto-cromo oscila, excitado por un elemento piezoeléctrico (dither). La fibra óptica se utiliza para leer las oscilaciones. Crédito:Viacheslav Dremov et al./Nature Communications
"Hemos demostrado que en los contactos planos superconductores (planos)-metal-superconductores normales, Los vórtices de Josephson tienen una huella única, "dijo el autor principal del artículo, Vasily Stolyarov de MIPT. "Encontramos esto al observar estas estructuras con un microscopio de fuerza magnética. Con base en este descubrimiento, demostramos la posibilidad de generar localmente vórtices de Josephson, que puede ser manipulado por el voladizo magnético de un microscopio. Nuestra investigación es un paso más hacia la creación de futuras máquinas de computación cuántica superconductoras ".
La variedad de dispositivos superconductores ultrasensibles, qubits, y las arquitecturas para la computación cuántica están creciendo rápidamente. Se espera que los dispositivos electrónicos cuánticos superconductores desafíen muy pronto a los dispositivos semiconductores convencionales. Estos nuevos dispositivos se basarán en uniones Josephson como la indicada por la flecha amarilla cerrada en la figura 1.
"Es bastante difícil visualizar los vórtices de Josephson, ya que están mal localizados, "Añadió Stolyarov." Descubrimos una forma de medir la disipación que ocurre durante la creación y destrucción de tal vórtice en el área del eslabón débil. La disipación es una liberación menor de energía. En nuestro caso, la energía se libera cuando un vórtice se mueve en un contacto plano de Josephson. Por lo tanto, utilizando nuestro microscopio de fuerza magnética, podemos detectar con éxito no sólo el retrato magnético estático de la estructura superconductora, sino también los procesos dinámicos en ella ".
Los autores del artículo demostraron un método para la generación remota, detección, y manipulación de vórtices de Josephson en uniones Josephson planas utilizando un microscopio de fuerza magnética de baja temperatura. Con ciertos parámetros (ubicación de la sonda, temperatura, campo magnético externo, flujo de corriente eléctrica a través de la muestra), el equipo observó una respuesta particular del voladizo del microscopio. A esto le siguió la aparición de arcos / anillos afilados en las imágenes. Los investigadores identificaron estas características como puntos de bifurcación entre estados adyacentes de Josephson caracterizados por un número o posición diferente de vórtices de Josephson dentro de la unión. El proceso va acompañado del intercambio de energía entre el voladizo y la muestra en los puntos de bifurcación y demuestra que un microscopio de fuerza magnética puede proporcionar información única sobre el estado de un vórtice de Josephson.
Se espera que los resultados de la investigación sirvan de impulso y base para el desarrollo de nuevos métodos de diagnóstico local sin contacto y gestión de dispositivos superconductores modernos y electrónica cuántica superconductora.
