Crédit :Elena Khavina/Service de presse du MIPT
Les physiciens du MIPT ont appris à contrôler localement les tourbillons de Josephson. La découverte peut être utilisée pour les dispositifs supraconducteurs d'électronique quantique et les futurs processeurs quantiques. Les travaux ont été publiés dans la prestigieuse revue scientifique Communication Nature .
Un vortex Josephson est un vortex de courants se produisant dans un système de deux supraconducteurs séparés par un maillon faible - un diélectrique, un métal normal, etc.-en présence d'un champ magnétique externe. En 1962, Brian Josephson a prédit l'écoulement d'un supercourant à travers une fine couche de matériau isolant séparant deux morceaux de matériau supraconducteur. Ce courant a été nommé le courant Josephson, et le couplage des supraconducteurs a été surnommé une jonction Josephson. Un lien dit faible se produit entre les deux supraconducteurs à travers un diélectrique ou un métal non supraconducteur, et la cohérence quantique macroscopique se développe.
Lorsque ce système est placé dans un champ magnétique, les supraconducteurs repoussent le champ magnétique. Plus le champ magnétique appliqué est grand, plus la supraconductivité résiste au champ magnétique pénétrant dans le système Josephson. Cependant, le maillon faible est un endroit dans lequel le champ peut pénétrer sous la forme de vortex individuels de Josephson transportant des quanta de flux magnétique. Les tourbillons de Josephson sont souvent considérés comme de véritables objets topologiques, 2 singularités de phase pi difficiles à observer et à manipuler.
Des chercheurs du laboratoire MIPT des phénomènes quantiques topologiques dans les systèmes supraconducteurs ont appliqué un microscope à force magnétique pour étudier les vortex de Josephson dans un système de deux contacts supraconducteurs en niobium intercalés avec une couche de cuivre agissant comme un maillon faible.
Montage expérimental. Le bleu et l'orange indiquent le niobium et le cuivre, respectivement. L'ellipse marque la zone de la jonction Josephson. La pointe revêtue de chrome-cobalt oscille, excité par un élément piézo (dither). La fibre optique est utilisée pour lire les oscillations. Crédit :Viacheslav Dremov et al./Nature Communications
"Nous avons démontré que dans les contacts planaires (plats) supraconducteur-métal-supraconducteur normal, Les tourbillons Josephson ont une empreinte unique, " a déclaré l'auteur principal de l'article, Vasily Stolyarov du MIPT. "Nous avons trouvé cela en observant ces structures avec un microscope à force magnétique. Sur la base de cette découverte, nous avons démontré la possibilité de générer localement des tourbillons de Josephson, qui peut être manipulé par le porte-à-faux magnétique d'un microscope. Notre recherche est encore une autre étape vers la création de futures machines informatiques quantiques supraconductrices. »
La variété des dispositifs supraconducteurs ultrasensibles, qubits, et les architectures pour l'informatique quantique se développent rapidement. On s'attend à ce que les dispositifs électroniques quantiques supraconducteurs défient très bientôt les dispositifs à semi-conducteurs conventionnels. Ces nouveaux dispositifs s'appuieront sur des jonctions Josephson comme celle indiquée par la flèche jaune fermée sur la figure 1.
"Il est assez difficile de visualiser les tourbillons de Josephson, car ils sont mal localisés, " a ajouté Stolyarov. " Nous avons découvert un moyen de mesurer la dissipation qui se produit lors de la création et de la destruction d'un tel vortex dans la zone du maillon faible. La dissipation est une libération mineure d'énergie. Dans notre cas, l'énergie est libérée lorsqu'un vortex se déplace dans un contact planaire Josephson. Ainsi, à l'aide de notre microscope à force magnétique, nous pouvons détecter avec succès non seulement le portrait magnétique statique de la structure supraconductrice, mais aussi les processus dynamiques qu'elle contient."
Les auteurs de l'article ont démontré une méthode de génération à distance, détection, et la manipulation de tourbillons Josephson dans des jonctions Josephson planaires à l'aide d'un microscope à force magnétique à basse température. Avec certains paramètres (emplacement de la sonde, Température, champ magnétique externe, le courant électrique traverse l'échantillon), l'équipe a observé une réponse particulière du porte-à-faux du microscope. Cela a été suivi par l'apparition d'anneaux/arcs nets dans les images. Les chercheurs ont identifié ces caractéristiques comme des points de bifurcation entre des états Josephson adjacents caractérisés par un nombre ou une position différents de tourbillons Josephson à l'intérieur de la jonction. Le processus s'accompagne d'un échange d'énergie entre le cantilever et l'échantillon aux points de bifurcation et démontre qu'un microscope à force magnétique peut fournir des informations uniques sur l'état d'un vortex Josephson.
Il est prévu que les résultats de la recherche serviront d'impulsion et de base au développement de nouvelles méthodes de diagnostic local sans contact et de gestion des dispositifs supraconducteurs modernes et de l'électronique quantique supraconductrice.
