Долгий поиск триплетной сверхпроводимости

На протяжении десятилетий физики охотились за конкретным типом материала, который существует на пересечении двух самых мощных явлений в физике конденсированного состояния: сверхпроводимости и спинтроники. Этот материал, известный как триплетный сверхпроводник, будет способен передавать не только электрический ток без сопротивления, но и спиновый ток, поток информации электронного спина, с идеальной эффективностью. Это комбинация, которая могла бы революционизировать квантовые вычисления, и ученые Норвежского университета науки и технологии теперь полагают, что они, возможно, нашли ее.

Рассматриваемый материал - NbRe, сплав ниобия и рения. Хотя оба элемента были тщательно изучены физиками, их комбинация, похоже, дает что-то замечательное: свидетельство триплетной сверхпроводимости при температуре 7 кельвинов, что относительно тепло по стандартам экзотических сверхпроводников, которые часто требуют охлаждения до доли градуса выше абсолютного нуля.

Понимание сверхпроводимости и спина

Чтобы оценить, почему это открытие важно, полезно понять, что могут и не могут делать обычные сверхпроводники. В стандартном сверхпроводнике электроны образуют пары, называемые парами Купера, которые текут через материал без какого-либо электрического сопротивления. Это свойство позволило разработать технологии, начиная от аппаратов МРТ и заканчивая ускорителями частиц.

Однако в обычных парах Купера два электрона имеют противоположные спины. Спин - это фундаментальное квантовое свойство электронов, аналогичное направлению вращения классического объекта. Когда два электрона в паре Купера имеют противоположные спины, они образуют то, что называется синглетным состоянием. Чистый спин пары равен нулю, что означает, что хотя пара идеально переносит электрический заряд, она не переносит информацию о спине.

Спинтроника, отдельная область технологии, использует спин электронов для кодирования и обработки информации. Спинтронные устройства предлагают потенциальные преимущества перед обычной электроникой с точки зрения скорости, энергоэффективности и плотности данных. Но существующие спинтронные технологии по-прежнему рассеивают энергию, поскольку спиновые токи встречают сопротивление в обычных материалах.

Триплетный сверхпроводник объединяет эти два мира. В триплетных парах Купера оба электрона имеют одинаковую ориентацию спина, что дает паре чистый спин. Это означает, что материал может одновременно переносить как электрический ток, так и спиновый ток, и может делать это с нулевым сопротивлением для обоих. Исследователи из NTNU подчеркнули эту точку: они теперь потенциально могут передавать не только электрические токи, но и спиновые токи с абсолютно нулевым сопротивлением.

Почему NbRe выделяется

Предыдущие кандидаты на триплетную сверхпроводимость были определены, но они, как правило, требовали охлаждения до температур близких к 1 кельвину, что всего на один градус выше абсолютного нуля. Достижение и поддержание таких экстремальных температур чрезвычайно дорого и технически сложно, что накладывает строгие практические ограничения на любую технологию, построенную вокруг этих материалов.

Переход NbRe в сверхпроводящее состояние происходит при температуре примерно 7 кельвинов. Хотя по повседневным меркам это все еще чрезвычайно холодно, эта температура значительно более доступна, чем 1 кельвин. Семикратное улучшение рабочей температуры может звучать не драматично, но в криогенной технике каждый градус имеет огромное значение. Более высокие рабочие температуры трансформируются в более простые, дешевые и надежные системы охлаждения, которые, в свою очередь, делают практические приложения более осуществимыми.

Свидетельства триплетной сверхпроводимости в NbRe получены из серии экспериментальных измерений, которые команда NTNU проводила, изучая, как материал реагирует на магнитные поля, как его сверхпроводящие свойства меняются с температурой и как он взаимодействует с соседними материалами в тщательно разработанных гетероструктурах. Данные согласуются с наличием триплетных пар Купера, хотя исследователи признают, что определительное подтверждение потребует дополнительной проверки независимыми исследовательскими группами.

Последствия для квантовых вычислений

Потенциальное значение триплетных сверхпроводников для квантовых вычислений глубоко. Современные квантовые компьютеры сталкиваются с фундаментальной проблемой: выполнение вычислительных операций с достаточной точностью. Квантовые биты или кубиты чрезвычайно чувствительны к шумам окружающей среды, что вводит ошибки, которые накапливаются по мере проведения вычислений. Эта проблема с ошибками широко рассматривается как единственный величайший барьер на пути к построению практичных, крупномасштабных квантовых компьютеров.

Триплетные сверхпроводники могли бы решить эту проблему несколькими способами:

  • Благодаря возможности спин-информационной обработки с нулевым энергетическим рассеянием, триплетные сверхпроводники могли бы позволить выполнять квантовые операции с гораздо меньшим тепловым шумом, чем генерируют современные технологии
  • Двойная способность переносить как заряд, так и спиновые токи может позволить использовать новые архитектуры кубитов, которые по своей природе более устойчивы к определенным типам ошибок
  • Энергоэффективность механизма безубыточного спинового транспорта может резко снизить потребление энергии квантовыми процессорами, делая более крупные системы более практичными
  • Топологические свойства, связанные с определенными типами триплетных сверхпроводников, могут обеспечить естественную защиту от декогеренции, процесса, при котором квантовая информация теряется окружающей средой

Исследователи описали потенциальный результат в амбициозных терминах: ультрабыстрые квантовые компьютеры, работающие практически без энергопотребления. Хотя такие устройства остаются далеки от реализации, определение материала, который мог бы служить их основой, представляет конкретный шаг в направлении этого видения.

Связь со спинтроникой

Помимо квантовых вычислений, триплетные сверхпроводники имеют значительные перспективы в более широкой области спинтроники. Современные спинтронные устройства, включая магнитную память с произвольным доступом (MRAM) и генераторы с передачей спинового момента, ограничены сопротивлением, которое спиновые токи встречают, проходя через материалы. Это сопротивление генерирует тепло и ограничивает скорость и эффективность устройств.

Триплетный сверхпроводник может служить идеальным межсоединением для спинтронных схем, передавая спиновую информацию между компонентами без потерь. Это представило бы качественный скачок в производительности спинтронных устройств, позволяя приложениям, которые в настоящее время непрактичны из-за ограничений энергетического рассеяния.

Объединение сверхпроводимости и спинтроники в единую материальную платформу также может позволить разработать полностью новые концепции устройств, которые не имеют аналогов в текущей технологии. Исследователи в этой области давно размышляли о таких возможностях, и определение NbRe как кандидата на триплетный сверхпроводник приближает эти предположения к экспериментальной реальности.

Осторожность и следующие шаги

Команда NTNU была осторожна в представлении своих выводов с надлежащей научной сдержанностью. Хотя свидетельства триплетной сверхпроводимости в NbRe убедительны, исследования сверхпроводимости имеют историю преждевременных утверждений и последующих разочарований. Это поле извлекло суровые уроки из контроверзии холодного синтеза конца 1980-х годов и с тех пор поддерживало высокие стандарты для экстраординарных утверждений.

Независимое тиражирование - критический следующий шаг. Другим исследовательским группам по всему миру потребуется синтезировать образцы NbRe и провести собственные измерения для подтверждения или опровержения результатов NTNU. Этот процесс, вероятно, займет месяцы или годы, так как участвующие в нем эксперименты требуют специального оборудования и экспертизы.

Если результаты будут подтверждены, научное сообщество столкнется с проблемой понимания микроскопического механизма, ответственного за триплетное спаривание в NbRe. Это теоретическое понимание будет важно для оптимизации свойств материала и потенциально обнаружения других материалов с еще более благоприятными характеристиками.

Независимо от окончательного результата, исследование представляет значимый вклад в поиск материалов, которые могли бы лежать в основе следующего поколения квантовых и спинтронных технологий. В области, где прогресс часто приходит постепенно, определение кандидата на триплетный сверхпроводник, работающего при относительно доступной температуре, квалифицируется как значительный шаг вперед.

Эта статья основана на материалах Science Daily. Прочитайте оригинальную статью.