Квантовые вихри Абрикосова впервые нашли вне сверхпроводников

Ученые из МФТИ и их французские коллеги обнаружили, что характерные для сверхпроводников квантовые вихри сверхтоков, более известные как вихри Абрикосова, также возникают и в обычном, несверхпроводящем металле, если последний находится в хорошем контакте со сверхпроводником. Кроме того, исследователям удалось впервые создать модель, точно описывающую такие наведенные вихри. Соответствующая статья опубликована в Nature Communications. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ.

Сегодня сверхпроводимость активно используются при создании особо мощных электромагнитов для томографов и ускорителей, в опытных линиях электропередачи и поездах на магнитном подвесе, а также в сверхчувствительных датчиках. На их же основе создаются и так называемые искусственные атомы или кубиты — основа будущих квантовых вычислительных систем. Однако создание почти любых сверхпроводниковых устройств требует понимания закономерностей работы не только самого сверхпроводника, но и прилегающего к нему обычного материала.

Известно, что контакт обычного металла со сверхпроводником сильно меняет свойства обоих материалов в сравнительно толстом по меркам микромира слое — на глубину до нескольких сотен нанометров. Металл обретает «сверхпроводящие» свойства, такие как, например, способность пропускать ток без сопротивления. Однако до сих пор оставалось неясно, как конкретно это происходит: могут ли в таком металле существовать квантовые вихри, обеспечивающие сверхпроводимость в самих сверхпроводниках? Квантовым вихрем — а в случае сверхпроводящего тока это вихри Абрикосова — называют вихрь сверхпроводящего тока, циркулирующий вокруг нормального (несверхпроводящего) ядра (нити вихря).

Авторы новой работы изучили поведение таких вихрей на границе доведенного охлаждением до сверхпроводящего состояния ниобия и несверхпроводящей меди. Используя сканирующий туннельный микроскоп, работающий при сверхнизких температурах, ученые получили спектральные нанокарты распределения «нормальных» и «сверхпроводящих» электронов на поверхности пленки металла, которая предварительно была нанесена на сверхпроводник. Эти карты и доказали наличие в металле наведенных квантовых вихрей, похожих на вихри Абрикосова в сверхпроводниках.

«Такие эксперименты стали возможны благодаря прогрессу в области сканирующей туннельной микроскопии, — пояснил Василий Столяров. — Это позволило уверенно работать при сверхнизких температурах и в условиях сверхвысокого вакуума (10??? мбар). Такие условия сохраняют поверхность атомно-чистой достаточно долгое время, а также позволяют работать при температурах ниже критической температуры сверхпроводящего перехода исследуемых объектов. Такой микроскоп есть и в МФТИ, в нашей лаборатории».

Результаты эксперимента практически полностью согласуются с компьютерным моделированием, которое также продемонстрировало появление вихрей в металле точно над теми местами, где они сформировались и в сверхпроводнике. Кроме того, исследователи проследили за поведением таких вихрей при изменении температуры, толщины пленки обычного металла и для разных значений внешнего магнитного поля, что позволило получить более детальное представление о явлении.

Возможность точно моделировать процессы на границе раздела сред сверхпроводник-металл позволит точнее проектировать самые разные сверхпроводящие устройства, в том числе — кубиты, элементную базу будущих квантовых компьютеров.