Un gruppo di nanofotonica guidato dal Prof. Brahim Lounis dell'Università di Bordeaux, compresi scienziati del MIPT, ha eseguito un esperimento unico che coinvolge la manipolazione ottica di singoli vortici Abrikosov in un superconduttore. Nel loro articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , gli scienziati menzionano la possibilità di progettare nuove unità logiche basate su principi quantistici da utilizzare nei supercomputer.

Il fenomeno della superconduttività, o zero resistenza elettrica, si verifica in alcuni materiali nell'intervallo di temperatura da -273 a -70 gradi Celsius. Quando un materiale passa allo stato superconduttore, i campi di flusso magnetico vengono espulsi dal suo volume. Un superconduttore ha tutte le linee del campo magnetico espulse dal suo interno o consente una penetrazione parziale del campo magnetico.

Il fenomeno della penetrazione parziale è stato spiegato nel 1957 da Alexei Abrikosov, per il quale nel 2003 è stato insignito del Premio Nobel per la Fisica. Un materiale che non mostra un'espulsione completa del campo magnetico viene indicato come superconduttore di tipo II. Abrikosov ha anche dimostrato che questi superconduttori possono essere penetrati solo da unità discrete di flusso magnetico, un quanto di flusso magnetico alla volta. Man mano che il campo all'interno di un superconduttore diventa più forte, dà origine ai circuiti di corrente cilindrici noti come vortici di Abrikosov.

"I superconduttori di tipo II sono usati ovunque, dalla medicina all'energia e ad altri settori. Le loro proprietà sono determinate dalla 'materia vortice, ' che rende la ricerca sui vortici e la ricerca di modi per manipolarli molto importanti per la fisica moderna, "dice Ivan Veshchunov, uno degli autori dello studio e ricercatore presso il Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems del MIPT.

Per manipolare i vortici di Abrikosov, gli scienziati hanno utilizzato un raggio laser focalizzato. Questo tipo di controllo del vortice ottico è reso possibile dalla tendenza dei vortici ad essere attratti verso le regioni a temperatura più alta in un superconduttore (in questo caso, un film di niobio raffreddato a -268 gradi Celsius). Gli hotspot necessari possono essere creati riscaldando il materiale con un laser. Però, è fondamentale impostare la giusta potenza laser, poiché il surriscaldamento del materiale distrugge le sue proprietà superconduttive.

Poiché i vortici agiscono come quanti di flusso magnetico, possono essere utilizzati per modellare il profilo del flusso magnetico complessivo, consentendo ai fisici di eseguire vari esperimenti con i superconduttori. Mentre un reticolo di vortici triangolari si trova naturalmente in certi campi magnetici, altri tipi di reticoli (e dispositivi come le lenti a vortice) possono essere creati spostando i vortici.

Il metodo di manipolazione del vortice nello studio potrebbe essere utilizzato nel calcolo quantistico per lo sviluppo di dispositivi controllati otticamente, elementi logici rapidi a flusso singolo (RSFQ). Questa tecnologia è considerata promettente per la progettazione di memorie superveloci per computer quantistici. Gli elementi logici basati su RSFQ sono già utilizzati nei convertitori digitale-analogico e analogico-digitale, magnetometri ad alta precisione, e cellule di memoria. Sono stati sviluppati numerosi prototipi di computer basati su questa tecnologia, incluso il FLUX-1 progettato da un team di ingegneri statunitensi. Però, gli elementi logici RSFQ in questi computer sono per lo più controllati da impulsi elettrici. La logica controllata otticamente è una tendenza emergente nei sistemi superconduttori.

Gli esperimenti eseguiti dagli scienziati potrebbero essere applicati in future ricerche sui vortici di Abrikosov. I fisici devono ancora indagare sui dettagli di come l'aumento della temperatura agisce per "sbloccare" i vortici dai loro siti e metterli in movimento. È probabile che seguiranno ulteriori ricerche sulla dinamica dei vortici nei reticoli di Abrikosov. Questa linea di ricerca è fondamentale per comprendere la fisica dei superconduttori, oltre a valutare le prospettive per tipi fondamentalmente nuovi di componenti microelettronici.