По словам одного из соавторов исследования из МФТИ, наблюдаемый эффект выглядит как магнитные «нанозвезды в сверхпроводящей Вселенной»; построение их созвездий может быть использовано в квантовой электронике.Физики из Франции и России обнаружили, что магнитные атомы в двухмерном слоистом сверхпроводнике создают электронные возмущения, похожие на колеблющиеся «нанозвезды». «Созвездие» этих возмущений можно использовать в квантовой электронике. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Nature Physics.Профессор Дмитрий Родичев из Высшей школы промышленной физики и химии (ESPCI ParisTech, Париж), Гербольд Менар, д-р.
Кристоф Брун, доктор Тристан Крен из Института нанонаук в Париже при Университете Сорбонны, доктор Василий Столяров из Лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ и их коллеги из Университета Париж-Сакле изучали появление Yu-Shiba -Состояния Русинова (YSR) связаны вокруг одиночных магнитных атомов, встроенных в двумерный сверхпроводник. Состояния YSR были теоретически предсказаны в 1960-х годах, но до сих пор экспериментально обнаружено очень мало доказательств их существования.
В настоящей работе было обнаружено, что в двумерных системах магнитные возбуждения распространяются на большее расстояние по сравнению с обычными трехмерными сверхпроводниками, а возникающие квантовые состояния YSR более устойчивы, что делает их более подходящими для разработки нового поколения. квантовой электроники.В испытаниях использовалась кристаллическая решетка слоистого сверхпроводящего материала — диселенида ниобия. С помощью сверхнизкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, созданного Родичевым, исследователи впервые смогли наблюдать состояния YSR вокруг одиночных магнитных атомов железа. «Мы продемонстрировали, что использование двумерных сверхпроводников вместо трехмерных приводит к увеличению пространственной протяженности YSR-состояний на несколько десятков нанометров, то есть в десять раз больше, чем в« обычных »трехмерных сверхпроводниках. область возбуждения имела форму шестикратной электронной «звезды», лучи которой тянулись вдоль оси кристаллической решетки диселенида ниобия.
Наблюдаемые «звезды» более стабильны и больше подходят для создания новых топологически защищенных состояний. Анионы могут быть собраны из цепочек состояний YSR и затем могут быть использованы в качестве элементов в квантовых компьютерах будущего », — говорит Василий Столяров, соавтор исследования и руководитель лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.Описанные в статье эксперименты проводились в Париже.
В Лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ ведутся работы по созданию экспериментальных условий, необходимых для получения столь качественных результатов. Лаборатория была создана в 2014 году на средства гранта, предоставленного Александру Голубову, профессору Университета Твенте (Нидерланды). Основная цель лаборатории — изучение квантовых свойств новых сверхпроводников и топологически защищенных материалов, а также гибридных искусственных систем на их основе.
Оснащение лаборатории осуществляется в тесном сотрудничестве с группами Родичева и Крена, и ожидается, что оборудование в обеих лабораториях будет дополнять друг друга.Состояния Ю-Шиба-Русинова были предсказаны в конце 1960-х годов тремя физиками из Китая, СССР и Японии независимо друг от друга. Они предположили, что магнитные атомы, введенные в сверхпроводник, должны создавать вокруг себя особые состояния возбуждения — электронно-дырочные стоячие волны, названные в честь их первооткрывателей.
Расчеты показывают, что вокруг этих состояний могут образовываться области топологической проводимости, в которых ток может течь только в одном направлении. Однако до недавнего времени экспериментально подтвердить это предсказание не удавалось.
В течение последних 20 лет ученые пытались создать квантовые системы, которые будут превосходить традиционные компьютеры на основе полупроводников, потенциал развития которых сейчас почти исчерпан. Ряд потенциальных систем-кандидатов, которые будут использоваться в качестве основы для создания компонентов квантового компьютера, в настоящее время исследуются. Основная проблема, препятствующая развитию этих компьютеров, — высокая чувствительность наномира к внешним воздействиям, разрушающим квантовые состояния.
Перспективным вариантом является использование топологически защищенных электронных состояний, устойчивых к декогеренции. Неабелевы эйоны могут быть идеальными для этого; это не отрицательные ионы, а особые возбуждения в двумерных квантовых системах в магнитном поле.Теория предсказывает, что такие неабелевы энионы могут возникать в двумерной «жидкости» электронов в сверхпроводнике под действием локального магнитного поля.
Таким образом, электронная жидкость становится вырожденной, то есть электроны могут иметь разные состояния на одном и том же уровне энергии. На суперпозицию нескольких эйонов невозможно повлиять, не перемещая их, поэтому они полностью защищены от возмущений.