Обнаружен новый физический эффект, который может лечь в основу перспективных квантовых устройств

Обнаружены они в джозефсоновских контактах, изготовленных на основе одиночных нанокристаллов топологических изоляторов. Нанокристаллы оказались перспективными не только для изучения фундаментальных физических процессов в мезоскопических квантовых системах, но и для развития квантовых технологий в целом. Результаты работы представлены в высокорейтинговом международном научном журнале Advanced Quantum Technologies. 

Мезоскопические устройства на основе топологических изоляторов — это настоящий научный клондайк, где ученые ищут и до сих пор находят множество новых фундаментальных и прикладных эффектов. Как можно понять уже из названия, материалы такого типа принято относить к изоляторам, или иначе — диэлектрикам либо полупроводникам, не пропускающим через себя электрический ток. Но за одним очень важным исключением: в своем тончайшем поверхностном слое этот материал проводит ток, как металл.

Грубо говоря, можно представить себе топологический изолятор чем-то вроде фрагмента дерева, покрытого с двух сторон медью. Однако в данном случае речь идет не о двух веществах, а об однородном образце одного и того же материала. Причем материала такого, в котором особое квантовое состояние электронов в поверхностном слое делает их не просто переносчиками тока, но «топологически защищенными» переносчиками.

Это свойство обусловлено тем, что данные квантовые состояния электронов чрезвычайно стабильны — в отличие от обычных электронных состояний в металле, здесь они более устойчивы при взаимодействии с атомными дефектами, ступеньками или другими несовершенствами материала.

Ученые из НИТУ МИСИС и МФТИ открыли новый тип резонансных осцилляций сверхпроводящего критического тока в созданном научным коллективом новом джозефсоновском устройстве на основе нанокристалла топологического изолятора.

«Мы обнаружили новый тип осцилляций критического тока джозефсоновского контакта, состоящего из двух сверхпроводящих ниобиевых электродов, между которыми размещен нанокристалл топологического изолятора Bi2Te2.3Se0.7 гексагональной формы. Осцилляции появляются в температурном диапазоне от 400 до 20 мК (–272,7 °С) и имеют очень необычную остроконечную форму. Период этих осцилляций составляет всего 1 эрстед, что соответствует чрезвычайно малому энергетическому масштабу, примерно 1 мкэВ. Нами было установлено, что наблюдаемый эффект может быть обусловлен резонансным туннелированием андреевских квазичастиц между энергетическими уровнями, образующимися вблизи границ сверхпроводник / топологический изолятор», — рассказал Василий Столяров, руководитель исследования, старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ.

Эксперименты проводились на рефрижераторе растворения BlueFors LD250. Для проведения таких прецизионных исследований был использован разработанный одним из соавторов метод фильтрации электронных и тепловых шумов.

По словам разработчиков, широкий диапазон температур, при котором проявляется пикообразная форма осцилляций и их сверхмалый период, являются прямым экспериментальным свидетельством того, что исследованный материал может послужить платформой для реализации квантовых устройств будущего.

«Хочется отметить, что мы первые в мире, кто решил реализовать джозефсоновское устройство на отдельном нанокристалле топологического изолятора, и вот результат. Думаю, за устройствами на таких объектах большое будущее», — добавил Василий Столяров.

Топологическая защищенность электронной подсистемы этого класса материалов может привести к рекордной устойчивости таких устройств к источникам декогерентности, а значит, и более высокой точности вычислений по сравнению с используемыми сейчас физическими принципами в «классических» кубитах.

Следующим этапом исследования, как сообщили соавторы работы, станет совершенствование технологии синтеза нанокристалов, технологии изготовления непосредственных сверхпроводящих устройств, а также изучение того, как эффективно управлять квазичастичными андреевскими уровнями и как реализовать квантовое логическое устройство на их основе.

«Наш результат имеет очень большое фундаментальное значение, поскольку ранее наличие андреевских уровней в системах с границами сверхпроводник / топологический изолятор не предсказывалось. Также из-за малого энергетического масштаба системы таких уровней невозможно было подумать и о наглядном электронно-транспортном эксперименте. В данном случае стечение обстоятельств позволило нам это сделать», — заключил Василий Столяров.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 21-72-00140).

В работе, кроме ученых Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ и лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ МИСиС, принимали участие их коллеги из Университета Сорбонна (Париж), Института технологий микроэлектроники РАН, Института физики твердого тела РАН и Университета Твенте (Нидерланды).