Физики разработали схему сверхпроводника, которая долгое время считалась невозможной

Заменив классический материал на материал с уникальными квантовыми свойствами, ученые создали сверхпроводящую цепь, способную на подвиги, которые долгое время считались невозможными.

Открытие, сделанное исследователями из Германии, Нидерландов и США, перевернуло столетние представления о природе сверхпроводящих цепей и о том, как их токи можно приручить и использовать на практике.

Малоотходные высокоскоростные цепи, основанные на физике сверхпроводимости, представляют собой золотую возможность вывести суперкомпьютерные технологии на совершенно новый уровень.

К сожалению, характеристики, которые делают эту легкую форму электрического тока такой удобной, также создают бесконечные проблемы при разработке сверхпроводящих версий обычных электрических компонентов.

Возьмем, к примеру, такой простой элемент, как диод. Этот базовый элемент электроники подобен одностороннему знаку для токов, обеспечивая средства для регулирования, преобразования и настройки движения электронов.

В сверхпроводящих материалах идентичность этих отдельных электронов размывается, что приводит к появлению партнеров, называемых парами Купера, давая каждой частице в этом партнерстве возможность избежать энергетических толчков, характерных для обычного электрического тока.

Но без обычных законов сопротивления ученые не смогли заставить сверхпроводящие электроны двигаться в одном направлении, поскольку они всегда демонстрируют так называемое "взаимное" поведение.

Это фундаментальное предположение - что сверхпроводимость не может нарушать взаимность (по крайней мере, без манипуляций с магнитным полем) - сохранялось с самого начала исследований в этой области.

Честно говоря, это препятствие, без которого инженеры могли бы обойтись.

"В 70-х годах ученые из IBM пытались реализовать идею сверхпроводящих вычислений, но были вынуждены прекратить свои попытки: в своих работах на эту тему IBM упоминает, что без невзаимной сверхпроводимости компьютер, работающий на сверхпроводниках, невозможен, - объясняют исследователи в заявлении для прессы по поводу своего нового исследования.

Возможно, теперь эти усилия придется пересмотреть после эксперимента, в котором был продемонстрирован тип перехода с квантовым компонентом, способным направлять даже пары Купера по улице с односторонним движением.

Джозефсоновские переходы - это тонкие полоски несверхпроводящего материала, разделяющие пару материалов, которые являются сверхпроводниками. Если материал достаточно тонкий, то электроны могут беспрепятственно проходить сквозь него.

Ниже определенного уровня этот "сверхток" не имеет напряжения. В критической точке возникает напряжение, быстро колеблющееся в волнах, которые можно использовать в таких приложениях, как квантовые компьютеры.

Обеспечить, чтобы этот ток шел только в одну сторону, раньше можно было с помощью внешнего магнитного поля. Но команда обнаружила, что если использовать двумерную решетку на основе металла ниобия, то можно отказаться от поля и полагаться исключительно на квантовые свойства материала.

"Мы смогли отслоить всего пару атомных слоев этого Nb3Br8 и сделать очень, очень тонкий сэндвич - всего несколько атомных слоев толщиной - который был необходим для создания диода Джозефсона, и который был невозможен с обычными трехмерными материалами", - говорит ведущий исследователь Мажар Али, физик из Делфтского технологического университета в Нидерландах.

Команда уверена, что они поставили все галочки, необходимые для убедительного обоснования своего открытия. Тем не менее, предстоит пройти долгий путь, прежде чем мы увидим сверхпроводники в сердце вычислительных систем следующего поколения.

Во-первых, явление сверхпроводимости обычно происходит в материалах, охлажденных до температуры чуть выше абсолютного нуля.

Некоторые сверхпроводящие материалы могут справиться с теплом, но только если они помещены под безумное давление.

Изучение того, как джозефсоновские переходы на основе этих новых квантовых барьеров работают при более высоких температурах и давлениях, в конечном итоге может стать переломным моментом - уменьшится количество оборудования, необходимого для невероятно эффективных суперкомпьютеров, подобных которым мир еще не видел.

"Это повлияет на всевозможные социальные и технологические приложения", - говорит Али.

"Если 20-й век был веком полупроводников, то 21-й может стать веком сверхпроводников".

Это исследование было опубликовано в журнале Nature.