I fisici del MIPT hanno imparato a controllare localmente i vortici Josephson. La scoperta può essere utilizzata per dispositivi superconduttori di elettronica quantistica e futuri processori quantistici. Il lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .

Un vortice Josephson è un vortice di correnti che si verificano in un sistema di due superconduttori separati da un anello debole:un dielettrico, un metallo normale, ecc.-in presenza di un campo magnetico esterno. Nel 1962, Brian Josephson ha predetto il flusso di una supercorrente attraverso un sottile strato di materiale isolante che separa due pezzi di materiale superconduttore. Questa corrente è stata chiamata la corrente Josephson, e l'accoppiamento dei superconduttori fu chiamato giunzione Josephson. Un cosiddetto legame debole si verifica tra i due superconduttori attraverso un dielettrico o un metallo non superconduttore, e si sviluppa la coerenza quantistica macroscopica.

Quando questo sistema è posto in un campo magnetico, i superconduttori spingono fuori il campo magnetico. Maggiore è il campo magnetico applicato, più la superconduttività resiste al campo magnetico che penetra nel sistema Josephson. Però, l'anello debole è un luogo in cui il campo può penetrare sotto forma di singoli vortici Josephson che trasportano quanti di flusso magnetico. I vortici Josephson sono spesso visti come veri oggetti topologici, 2 singolarità di fase pi che sono difficili da osservare e manipolare.

I ricercatori del MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems hanno applicato un microscopio a forza magnetica per studiare i vortici Josephson in un sistema di due contatti di niobio superconduttore intercalati con uno strato di rame che funge da anello debole.

"Abbiamo dimostrato che nei contatti planari (piatti) superconduttore-metallo normale-superconduttore, I vortici Josephson hanno un'impronta unica, " ha detto l'autore senior del giornale, Vasily Stolyarov del MIPT. "L'abbiamo scoperto osservando queste strutture con un microscopio a forza magnetica. Sulla base di questa scoperta, abbiamo dimostrato la possibilità di generare localmente vortici Josephson, che può essere manipolato dal cantilever magnetico di un microscopio. La nostra ricerca è un altro passo avanti verso la creazione di future macchine di calcolo quantistico superconduttive".

La varietà di dispositivi superconduttori ultrasensibili, qubit, e le architetture per l'informatica quantistica stanno crescendo rapidamente. Si prevede che i dispositivi elettronici quantistici superconduttori sfideranno molto presto i dispositivi a semiconduttore convenzionali. Questi nuovi dispositivi si baseranno su giunzioni Josephson come quella indicata dalla freccia gialla chiusa in figura 1.

"È abbastanza difficile visualizzare i vortici Josephson, in quanto poco localizzati, " ha aggiunto Stolyarov. "Abbiamo scoperto un modo per misurare la dissipazione che si verifica durante la creazione e la distruzione di un tale vortice nell'area dell'anello debole. La dissipazione è un rilascio minore di energia. Nel nostro caso, l'energia viene rilasciata quando un vortice si muove in un contatto planare Josephson. Così, utilizzando il nostro microscopio a forza magnetica, possiamo rilevare con successo non solo il ritratto magnetico statico della struttura superconduttiva, ma anche i processi dinamici al suo interno".

Gli autori del documento hanno dimostrato un metodo per la generazione remota, rilevamento, e manipolazione dei vortici Josephson nelle giunzioni planari Josephson utilizzando un microscopio a forza magnetica a bassa temperatura. Con determinati parametri (posizione della sonda, temperatura, campo magnetico esterno, flusso di corrente elettrica attraverso il campione), il team ha osservato una particolare risposta del cantilever del microscopio. Questo è stato seguito dalla comparsa di anelli/archi acuti nelle immagini. I ricercatori hanno identificato queste caratteristiche come punti di biforcazione tra stati Josephson adiacenti caratterizzati da un diverso numero o posizione di vortici Josephson all'interno della giunzione. Il processo è accompagnato dallo scambio di energia tra il cantilever e il campione nei punti di biforcazione e dimostra che un microscopio a forza magnetica può fornire informazioni uniche sullo stato di un vortice Josephson.

Si prevede che i risultati della ricerca serviranno come impulso e base per lo sviluppo di nuovi metodi di diagnostica locale senza contatto e gestione dei moderni dispositivi superconduttori e dell'elettronica quantistica superconduttiva.