Исследование показывает, как можно включать и выключать сверхпроводимость в сверхпроводниках

Сверхпроводники — это материалы, которые могут переходить в состояние отсутствия электрического сопротивления, через которое не могут проникать магнитные поля. Из-за их интересных свойств многие ученые и инженеры-материаловеды изучают потенциал этих материалов для широкого спектра применений в электронике.

Ключевым преимуществом сверхпроводников является то, что они могут передавать электрические сигналы, предотвращая их рассеивание, что особенно полезно при разработке квантовых компьютеров. Однако управление их состоянием, как это обычно делается в полупроводниковой технологии, до сих пор оказывалось сложной задачей.

IBM, Риттер и др. (2022 г.)

Несколько лет назад исследование показало, что сверхпроводимость сверхпроводящих материалов можно включать и выключать. Исследователи из IBM Research в Цюрихе продолжили изучение этих результатов в надежде объяснить механизм переключения. Их выводы были недавно изложены в статье, опубликованной в Nature Electronics.

«Сверхпроводники — это прежде всего металлы, а металлы очень эффективно экранируют внешние электрические поля», — рассказали Phys.org Андреас Фюрер и Фабрицио Ничеле, два исследователя, проводивших исследование. «Эта фундаментальная концепция, встречающаяся во всех учебниках по физике, была поставлена ​​под сомнение публикацией 2018 года. В этой работе авторы утверждали, что они включали и выключали сверхпроводимость в титановой нанопроволоке с помощью умеренных электрических полей, прикладываемых соседним электродом затвора. »

В случае подтверждения результаты, полученные в 2018 году NEST и SPIN-CNR в Италии, позволят разработать совершенно новые типы электронных и квантовых вычислительных устройств на основе сверхпроводников. Таким образом, несколько лет назад они решили раскрыть микроскопический физический механизм, происходящий в сверхпроводниках нанометрового размера при наличии электрических полей.

В первоначальной статье, опубликованной в 2021 году, исследователи изложили некоторые первоначальные намеки на возможное происхождение наблюдаемой подавленной сверхпроводимости в титановых нанопроволоках. Их новое исследование основано на этой статье и предлагает более подробное объяснение результатов, полученных командой NEST и SPIN-CNR.

«Наша предыдущая работа показала, что подавление сверхпроводимости всегда шло рука об руку с небольшими токами утечки, протекающими от электрода затвора к нанопроволоке», — объяснили Фюрер и Нишель. «Такие токи были очень малы (несколько пА или 0,000 000 000 001 ампер), так что они могли остаться незамеченными в предыдущей работе. Для нас было разумно предположить, что такой ток будет ответственен за нарушение сверхпроводимости, поскольку энергия каждого электрона, переносимого током, была довольно большой (примерно в 100 000 больше, чем энергия связи, удерживающая электроны в металле в сверхпроводящем состоянии)».

Хотя их предыдущее исследование позволило Фюреру, Нишель и их коллегам понять возможный механизм, лежащий в основе наблюдаемого подавления сверхпроводимости, в нем по-прежнему отсутствовал ряд ключевых компонентов. Основная цель их недавней статьи состояла в том, чтобы предложить надежное и удовлетворительное объяснение этого явления.

Устройство аналогично представленному выше, но с канавкой в ​​подложке глубиной 500 нм. Канавка защищает нанопроволоку от фононов. Авторы и права: IBM, Риттер и др. (2022 г.)

Сходных результатов исследователи достигли, когда ток высокоэнергетических электронов вытекал из проволоки и когда он протекал между двумя электродами, расположенными вблизи нанопроволоки (без достижения электронами самой нанопроволоки). Эти результаты подчеркивают решающую роль подложки материала в подавлении сверхпроводимости.

Устройства, которые исследователи использовали в своих экспериментах, основаны на кристаллической кремниевой пластине. Это подложка, по которой текут токи электронов высокой энергии, когда между электродами прикладывается высокое напряжение.

«Когда электроны, разогнанные до высоких энергий высокими напряжениями, движутся в кремнии, они непрерывно толкают атомы кремния, передавая свою энергию колебаниям в кристаллической решетке (физики называют это « фононами »)», — объяснили Фюрер и Нихель. «В отличие от электронов, фононы перемещаются на очень большие расстояния в решетке кремния (несколько микрометров) и могут легко нарушить сверхпроводящее состояние металлической нанопроволоки».

Недавняя работа Фюрера, Нишеле и их коллег показывает, что фононы, в отличие от фотонов, действуют как посредники. Основываясь на этом открытии, команда создала переключающее устройство, состоящее из глубокой канавки, выгравированной на кремниевой подложке.

«Канавка отражает фононы, генерируемые с одной стороны, и защищает нанопроволоку, которая дольше сохраняется в сверхпроводящем состоянии», — говорят Фюрер и Нишель. «Вибрации всегда присутствуют в кристалле, чем выше температура, тем сильнее вибрирует кристалл. Однако фононы, которые мы производим в наших устройствах, имеют совершенно другую энергию, чем те, которые возникают в результате повышения температуры».

Когда исследователи проводили свои эксперименты при температурах ниже 4 Кельвинов, они обнаружили, что производимые фотоны имели температуру выше 100 Кельвинов. Это открытие объясняет, почему переключающие устройства, подобные разработанному ими, имеют очень низкое энергопотребление по сравнению с более традиционными переключателями.

В целом недавняя работа Фюрера, Нишель и их коллег из IBM Research предлагает последовательное и убедительное объяснение экспериментальных результатов, опубликованных командой NEST и SPIN-CNR в 2018 году, которые ранее не были объяснены. В будущем их объяснение может помочь лучше понять сверхпроводники, что потенциально позволит использовать их для разработки новых типов устройств.

Дополнительная информация: М. Ф. Риттер и др., Неравновесные фононы в управляемых сверхпроводящих переключателях, Nature Electronics (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00721-1 

Джорджио Де Симони и др., Металлический сверхточный полевой транзистор, Nature Nanotechnology (2018). DOI: 10.1038/s41565-018-0190-3

М.Ф. Риттер и др., Сверхпроводящий переключатель, приводимый в действие инжекцией высокоэнергетических электронов, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-21231-2

 

Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК

Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов

hello@technovery.com