Квантовое шоссе высотой в один атом: как ступеньки управляют вихрями в сверхпроводниках
Японские физики обнаружили, что крошечные ступеньки высотой всего в один атом могут работать как микроскопические рельсы для квантовых вихрей в сверхпроводниках. В определённых условиях вихри движутся вдоль этих ступенек более чем в 1000 раз легче, чем поперёк них. Однако это открытие может приблизить создание сверхпроводящей электроники, которая потребляет значительно меньше энергии [1].
Исследование провела группа под руководством Такаси Учихаси из Центра наноархитектоники материалов (MANA) при Национальном институте материаловедения Японии (NIMS). Результаты опубликованы в журнале Physical Review B 30 июля 2026 года [2].
Почему вихри в сверхпроводниках — это проблема
Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество без сопротивления. Это происходит при охлаждении ниже критической температуры. Такое свойство делает их привлекательными для создания энергоэффективной электроники. Однако при проникновении магнитного поля внутри сверхпроводника возникают квантовые вихри. Это крошечные области с циркулирующими токами. Когда вихри движутся, они создают электрическое сопротивление. Следовательно, это снижает эффективность устройства [4].
До сих пор управлять направлением движения вихрей в очень тонких двумерных сверхпроводниках было особенно сложно. Именно эту задачу и решила команда Учихаси.
Как ступеньки стали рельсами
Учёные изучали сверхтонкий сверхпроводник. На его поверхности были регулярно расположенные атомные ступеньки. С помощью сканирующей туннельной микроскопии они подтвердили, что ступеньки идут параллельно друг другу. Кроме того, исследователи напрямую увидели вихри, расположенные вдоль них [1].
Затем с помощью четырёхконтактных измерений сопротивления исследователи обнаружили поразительную разницу. При промежуточных магнитных полях вихри двигались вдоль ступенек более чем в 1000 раз легче, чем поперёк. По сути, ступеньки действовали как рельсы. Таким образом они создавали предпочтительный путь для квантовых вихрей [4].
«Наше исследование показывает, что ступеньки атомного масштаба могут действовать как эффективные рельсы, направляющие сверхпроводящие вихри. Кроме того, этим эффектом можно управлять, просто меняя температуру или магнитное поле», — сказал Учихаси [1].
Два необычных режима
Исследователи также обнаружили особое поведение в диапазоне магнитных полей от 0,10 до 0,20 Тесла. В этих условиях вихри могли свободно течь вдоль ступенек. Они не застревали на дефектах материала. Это явление назвали одномерным беззацепным вихревым потоком [4].
При самых низких температурах наблюдался ещё один эффект. Движение вихрей определялось квантовым туннелированием. Это явление, при котором квантовые объекты проходят через энергетические барьеры. Обычно такие барьеры непреодолимы с точки зрения классической физики [3].
Что это значит для технологий
Открытие демонстрирует, что даже особенность поверхности высотой в один атом может сильно влиять на движение квантовых вихрей. Используя эти атомные ступеньки как естественные направляющие, учёные могут управлять движением вихрей с исключительной точностью. Возможность регулировать это движение через температуру и магнитное поле даёт дополнительный способ влиять на поведение сверхпроводников [1].
Хотя практическое применение потребует дальнейших разработок, этот подход на атомном уровне может помочь исследователям управлять движением вихрей. Кроме того, он позволит контролировать поток тепла в будущих сверхпроводящих технологиях. Потенциально это позволит создавать более эффективные устройства, потребляющие меньше энергии [5].
Список источников
- MANA reveals atomic-scale rails for guiding superconducting vortices — EurekAlert!
- Anisotropic transport of Josephson vortices in atomic-layer superconductors on vicinal surfaces — NIMS Materials Data Repository
- Atomic-scale rails for guiding superconducting vortices — Nanowerk
- Маленькая ступенька — большой эффект — NV Техно
- Researchers at Nanoarchitectonics Center Guide Quantum Vortices with Atomic Rails — Quantum Zeitgeist
