Совместная группа исследователей из МФТИ (Московский физико-технический институт) и Стокгольмского университета предложили новый элемент памяти, работающий при сверхнизких температурах
Российские физики разработали базовый элемент сложных устройств в сверхпроводниковой электронике
В начале 2022 года группа российско-шведских ученых-исследователей представила широкой публике новую разработку для устройств сверхпроводниковой электроники - миниатюрное устройство, способное контролируемо изменять фазу сверхпроводящей волновой функции.
Новая разработка имеет все шансы стать одним из основополагающих элементов в устройствах сверхпроводниковой электроники, так как эта область работает именно с волновой функцией, - как, например, транзистор для полупроводниковой техники.
Ключевые преимущества новой разработки
Важными достоинствами разработанного устройства являются:
- Небольшие размеры для отрасли (порядка сотен нанометров)
- Автономность. Сверхпроводящие квантовые устройства крайне восприимчивы к помехам, и то, что менять фазу можно, не подсоединяя провода, потенциальные источники паразитных сигналов - очень важно.
Какие проблемы решает новый элемент памяти?
- Реализация низкотемпературной памяти. Стандартные полупроводниковые запоминающие устройства при сверхнизких температурах работать не могут — поэтому остро стоит вопрос о разработке их эквивалента, способном так же эффективно работать и при температурах жидкого гелия (4,2 К = –268,8 С) и ниже. Данное узкое место сверхбыстрых логических устройств на основе сверхпроводящих материалов решается с применением нового элемента памяти, работающим при сверхнизких температурах.
- Полное управление в течение длительного времени значением разности фаз в джозефсоновских контактах. Традиционная электроника выстраивает свою работу на основе напряжения или тока, сверхпроводящая электроника работает с фазой сверхпроводящей волновой функции, поскольку в сверхпроводнике при протекании тока ниже его критического значения напряжение всегда равно нулю. Например, в обычной электронике автономным питающим устройством является батарейка — источник электронов, в сверхпроводящей электронике аналогом является фазовая батарейка — устройство, способное также автономно создавать разность фаз на определенном участке сверхпроводящей цепи для того, чтобы начал течь сверхток. Новый элемент памяти для устройств сверхпроводниковой электроники позволяет задавать, менять и сохранять в течение длительного времени значение разности фаз в джозефсоновских контактах — базовых элементах сверхпроводящей и квантовой электроники.
Как это работает?
За основу работы нового элемента положено управление переключением фазы. Ученые смогли управлять переключением, передвигая вихри Абрикосова между специально созданными «ловушками» вблизи джозефсоновского контакта. Эти переключения могут быть использованы для реализации памяти, работающей при очень низких температурах.
Подробные материалы результатов приведенного исследования опубликованы в журнале Nano Letters («Reconfigurable Josephson Phase Shifter»; June 11, 2021; Taras Golod, Razmik A. Hovhannisyan, Olena M. Kapran, Vyacheslav V. Dremov, Vasily S. Stolyarov, and Vladimir M. Krasnov)
Рис 1. Строение устройства. Джозефсоновский фазовый сдвиг создается сверхпроводящими вихрями. Вихревые ловушки микронного размера. Источник: журнал Nano Letters.
«Сверхпроводимость сама по себе интересный квантово-механический эффект в том смысле, что электроны в сверхпроводнике ведут себя как единое целое: лежат на одном энергетическом уровне и описываются одной волновой функцией. При этом, в отличие от атомов и фотонов, проявляя квантовые свойства, верхпроводник имеет макроскопические (десятки микрон) размеры, — поясняет Владимир Краснов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ, соавтор статьи. — Когда атомы ведут себя квантово-механически, это не вызывает удивления, а для таких огромных объектов это крайне неожиданно».
Джозефсоновские контакты
Джозефсоновские контакты – конструкции, созданные на основе своеобразного «конденсатора» из двух сверхпроводников, разделенных тонким изолятором. При таком устройстве между обкладками изолятора будет течь сверхпроводящий ток.
Данное явление было открыто в 1962 году Брайаном Дэвидом Джозефсоном, лауреатом Нобелевской премии, и получило одноименное название в его честь.
Между волновыми функциями электронов с обеих сторон барьера в результате туннельного обмена устанавливается разность фаз, которая и определяет величину тока. Способность управляемо изменять разность фаз дает возможность «настройки» состояния сверхпроводящих устройств.
Вихри Абрикосова
Вихрь Абрикосова — вихрь сверхпроводящего тока (сверхтока), циркулирующий вокруг нормального (несверхпроводящего) ядра (нити вихря), индуцирующий магнитное поле с магнитным потоком, эквивалентным кванту магнитного потока.
Данное явление было открыто известным российским физиком А. А. Абрикосовым в 1957 году (ученик Л.Д.Ландау, лауреат Нобелевской премии, академик РАН).
Для управления разностью фаз, ученые исследовательской группы добавили в сверхпроводник вихри Абрикосова. Сверхпроводник не пускает в себя магнитное поле, но при определенных условиях оно может проникать туда отдельными квантами, не нарушая сверхпроводимость в целом.
Вокруг «дыры» — места проникновения — начинает циркулировать сверхпроводящий ток по аналогии, как вокруг области с пониженным атмосферным давлением закручивается воронка урагана.
Было выявлено, что, передвигая вихрь Абрикосова, можно изменять разность фаз на расположенном неподалеку джозефсоновском контакте.
Рис 2. Вихри Абрикосова. Автор: Frederick S. Wells, Alexey V. Pan, X. Renshaw Wang, Sergey A. Fedoseev; Hans Hilgenkamp
«В 2015 году на основе вихрей Абрикосова мы создали прототип памяти для квантового компьютера, — вспоминает Владимир Краснов. — Это было гораздо проще: мы доказали, что можем включать или выключать вихрь, получая 1 или 0, для памяти этого достаточно. Наше новое устройство может с помощью небольших манипуляций импульсом тока менять разность фаз. Точность сдвига контролируется с помощью системы специально созданных дефектов — просверленных на поверхности кристалла дырочек-ловушек. “Пинок” импульсом тока заставляет вихрь “вылететь” из одной ловушки и попасть в следующую. Примерно так же на неровной поверхности мячик скатывается в ямку, поскольку это выгодно энергетически. Сдвигая вихрь на расстояние порядка его размера, мы вызываем существенное изменение фазы. Системы из четырех ловушек нам хватило, чтобы, переключаясь между ними, изменять разность фаз практически непрерывно в диапазоне от нуля до 3π, чего более чем достаточно для практического применения».
На этапе проведения импульсных экспериментов у ученых-исследователей не было однозначной уверенности, что вихрь Абрикосова попадает именно в искусственно изготовленную ловушку, так как он, находясь в системе, может задержаться и на других дефектах, и при этом все так же влиять на фазу волновой функции.
Окончательное и однозначное доказательство захвата вихря ловушкой стало возможным благодаря дополнительным локальным зондовым методам исследования.
«Используя низкотемпературную магнитно-силовую сканирующую микроскопию, нам удалось визуализировать сам факт попадания вихря Абрикосова в специальную “ловушку” и одновременно с этим продемонстрировать его влияние на свойства контакта. В дальнейшем это позволило интерпретировать результаты импульсных электронно-транспортных экспериментов на новом качественном уровне. Таким образом, локальные методы исследований в очередной раз продемонстрировали свою эффективность для однозначного определения свойств и функциональных особенностей наноразмерных систем». – добавляет Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, соавтор статьи.
Вывод
Новая разработка, созданная при непосредственном участии российских ученых из Московского физико-технического института, имеет все шансы стать базовым элементом для создания более сложных устройств в сверхпроводниковой электронике, например, может быть использована как новый тип эффективно работающей памяти для квантовых компьютеров.
*При подготовке статьи были использованы следующие материалы:
- «Физики предложили новый элемент памяти, работающий на сверхнизких температурах»; 14.02.2022 публикация портала «Научная Россия»;
- "Reconfigurable Josephson Phase Shifter" - Taras Golod, Razmik A. Hovhannisyan, Olena M. Kapran, Vyacheslav V. Dremov, Vasily S. Stolyarov, Vladimir M. Krasnov; June 11, 2021; Nano Letters.
