Физики из Франции и России обнаружили, что магнитные атомы в двумерном слое сверхпроводника создают возмущения, которые выглядят как осциллирующие «нанозвезды». «Созвездия» таких возмущений можно будет использовать в квантовой электронике. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature Physics (от ред. статья Gerbold C. Ménard, Sébastien Guissart, Christophe Brun, Stéphane Pons, Vasily S. Stolyarov, François Debontridder, Matthieu V. Leclerc, Etienne Janod, Laurent Cario, Dimitri Roditchev, Pascal Simon & Tristan Cren Coherent long-range magnetic bound states in a superconductor. doi:10.1038/nphys3508)
Дмитрий Родичев из Высшей школы промышленной физики и химии Парижа, Василий Столяров из Лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ, Жербо Менар и Тристан Крен из Института нанонауки при университете Сорбонны вместе с коллегами исследовали появление вокруг одиночных магнитных атомов, встроенных в двумерный слой сверхпроводника, так называемых состояний Ю-Шиба-Русинова, теоретически предсказанных в 1960-х годах, но до сих пор экспериментально не подтвержденных. Оказалось, что в двумерных системах магнитное возмущение распространяется на большее расстояние, а возникающие состояния более устойчивы, что делает их более пригодными для создания электроники нового поколения.
«Мы показали, что переход от трех измерений к двум приводит к увеличению “дальности” распространения состояний Ю-Шиба-Русинова. Эти “звезды” более устойчивы и более пригодны для создания новых топологически защищенных состояний. Из цепочек состояний Ю-Шиба-Русинова можно собирать неабелевы анионы, которые в свою очередь могут служить элементами будущих квантовых компьютеров», — говорит соавтор исследования, руководитель лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Василий Столяров.
Для исследований использовалась кристаллическая решетка диселенида ниобия толщиной два-три атома. С помощью сверхнизкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, построенного Родичевым, ученые впервые увидели возбужденные состояния Ю-Шиба-Русинова вокруг единичных магнитных атомов железа. Оказалось, что в этих двумерных сверхпроводниках состояния простираются на десятки нанометров, то есть в десять раз дальше, чем в «обычных» трехмерных сверхпроводниках. При этом возмущенная область имела форму шестиконечной электронной «звезды», лучи которой были вытянуты вдоль осей кристаллической решетки диселенида ниобия.
Эксперименты, описанные в статье, проводились в Париже. В настоящее время в лаборатории «Топологические квантовые явления в сверхпроводящих системах» МФТИ создаются экспериментальные установки для получения результатов столь же высокого класса. Основная цель этой лаборатории, созданной в 2014 году на средства мегагранта, выигранного профессором нидерландского университета Твенте Александром Голубовым, — исследования квантовых свойств новых сверхпроводниковых и топологически защищенных материалов, а также гибридных искусственных систем на их основе.
Оснащение лаборатории идет в тесном сотрудничестве с группами Родичева и Крена, планируется, что возможности трех лабораторий будут дополнять друг друга.
Состояния Ю-Шиба-Русинова были предсказаны во второй половине 1960-х годов тремя физиками из Китая, СССР и Японии независимо друг от друга. Ученые предположили, что магнитные атомы, добавленные в сверхпроводник, должны создавать вокруг себя особые возбужденные состояния — стоячие волны электронных и дырочных колебаний, названные в часть первооткрывателей. Расчеты показывали, что в окрестностях этих состояний могут возникать области топологической проводимости, где ток может течь только в одном направлении. Однако до недавнего времени это предсказание не было подтверждено экспериментально.
Последние 20 лет ученые пытаются создать квантовые системы, которые могут превзойти классические компьютеры на базе полупроводников, чей потенциал развития уже почти исчерпан. Сейчас изучается целый ряд систем-«кандидатов», на базе которых можно создать компоненты квантового компьютера. Главная проблема, которая препятствует созданию таких вычислительных машин, — высокая чувствительность наномира к внешним воздействиям, которые разрушают квантовые состояния. Одно из перспективных направлений — использование топологически защищенных электронных состояний, устойчивых к декогеренции. Почти идеальным кандидатом здесь могут быть неабелевы анионы, которые представляют собой не отрицательные ионы, а особые возбуждения в двумерных квантовых системах в присутствии магнитного поля. Теория предсказывает, что такие неабелевы анионы могут появляться в двумерной «жидкости» из электронов в сверхпроводнике под воздействием локального магнитного поля. Электронная жидкость при этом становится вырожденной, то есть электроны могут иметь разные состояния при одном и том же уровне энергии. На суперпозицию нескольких анионов нельзя воздействовать, не перемещая их, поэтому она идеально защищена от возмущений.
Больше иллюстраций можно найти здесь.
