Маленькая ступенька — большой эффект. Ученые обнаружили, как атомарный рельеф изменяет поведение квантовых вихрей в сверхпроводниках

Физики из Научно-исследовательского центра наноархитектуры материалов (MANA), действующего при Национальном институте материаловедения Японии (NIMS), наблюдали удивительное явление. В ходе экспериментов они выяснили, что микроскопические перепады рельефа высотой в один атом (около 0,2−0,3 нанометра) на поверхности сверхтонкого сверхпроводника могут функционировать как железнодорожные рельсы, направляя движение квантовых вихрей.

Сверхпроводники — это уникальные материалы, способные проводить электрический ток с нулевым сопротивлением при охлаждении ниже критической температуры. Однако при проникновении магнитного поля внутри них возникают квантовые вихри — микроскопические области с циркулирующими токами. Когда эти вихри хаотично двигаются, они создают нежелательное электрическое сопротивление, что снижает эффективность устройств. Контроль за их перемещением долго оставался сложной задачей для физиков.

Группа ученых под руководством Такаши Учихаши исследовала сверхтонкий двумерный сверхпроводник с параллельными атомарными ступенями. С помощью сканирующего туннельного микроскопа, позволяющего визуализировать поверхность с точностью до отдельных атомов, физики подтвердили структуру рельефа и зафиксировали расположение квантовых вихрей вдоль этих границ.

Применив четырехконтактный метод измерения сопротивления, команда установила: под действием умеренных магнитных полей квантовые вихри передвигаются вдоль атомных ступеней более чем в 1000 раз легче, чем в поперечном направлении. Особенно выраженный эффект наблюдался при магнитном поле в диапазоне от 0,10 до 0,20 Тесла. В этих условиях вихри двигались совершенно свободно, не застрявая на дефектах материала — явление получило название одномерного беззацепного вихревого потока. При самых низких температурах движение осуществлялось благодаря квантовому туннелированию, что позволяло обходить классические энергетические барьеры.

Результаты работы, опубликованные в научном журнале Physical Review B, доказывают, что даже малейший элемент поверхности может кардинально изменять квантовую динамику. По словам Учихаши, этим процессом можно легко управлять, изменяя температуру или уровень магнитного поля. В перспективе это позволит инженерам точно контролировать как квантовые потоки, так и теплопередачу, что откроет путь к созданию сверхбыстрой электроники с минимальным энергопотреблением.