Физики нашли оптимальные параметры материалов для сверхпроводящей электроники

Исследователи из Института теоретической физики (ИТФ) имени Л.Д. Ландау обнаружили область параметров, в которой сверхпроводники из «плохих» металлов работают с минимальными потерями. Разработка пригодится для создания защищенных от помех кубитов – ключевых элементов квантового компьютера. О своей работе авторы рассказали на Зимней школе-конференции, проходившей в ИТФ. Препринт работы можно найти здесь.

Физики исследовали сверхпроводники, сделанные из «плохих» металлов – их называют неупорядоченными сверхпроводниками. В отличие от «хороших» металлов с почти идеальной кристаллической решеткой, в таких веществах решетка очень сильно нарушена. Чем больше неупорядоченность, тем выше сопротивление вещества и тем хуже оно проводит электрический ток. Обычно при охлаждении проводящие свойства металлов улучшаются, то есть их сопротивление падает. Однако сильно неупорядоченные «плохие» металлы ведут себя нетипично: чем ниже температура, тем их сопротивление больше. Но после достижения некоего критического значения сопротивление таких «плохих» металлов начинает резко падать и вещество переходит в сверхпроводник.

Физики говорят, что у подобных сверхпроводников очень маленькая плотность сверхпроводящих элементов. Эта величина обратна индуктивности – своеобразной электрической «инерции», которая определяет, насколько будет силен магнитный поток, создаваемый протекающим в системе электрическим током. Сверхпроводники с очень большой индуктивностью – необходимый элемент сверхпроводящей электроники. С их помощью предполагается, например, создать метрологический стандарт тока – по аналогии со стандартом напряжения*. Кроме того, такие элементы пригодятся в конструировании защищенных от всевозможных шумов кубитов – ключевых элементов квантового компьютера. Чтобы квантовый компьютер эффективно работал, важно, чтобы кубиты оставались в состоянии так называемой квантовой запутанности. Однако из-за различных помех, которые неизбежно возникают в устройстве, это состояние очень быстро разрушается. Сверхпроводящие элементы с высокой индуктивностью помогут снизить вероятность того, что запутанность будет разрушаться.

Но чтобы использовать такие элементы для разработки сверхпроводящей электроники, необходимо, чтобы в сверхпроводящем элементе с большой индуктивностью не было активного сопротивления – то есть потерь энергии при протекании тока. «Для этого необходимо, чтобы в сверхпроводнике не было внутренних колебаний (осцилляторов), которые могут возбуждаться на относительно низких – порядка гигагерц – частотах. Это именно тот диапазон, который интересен для практического применения. Если в сверхпроводящем состоянии у материала есть такие колебательные моды, то при приложении излучения в нем будут возбуждаться колебания, что неизбежно приведет к потерям», – объясняет один из участников исследования заведующий сектором квантовой мезоскопии ИТФ имени Л.Д. Ландау профессор Михаил Фейгельман.

С увеличением степени беспорядка в сверхпроводнике количество низкочастотных осцилляторов, «опасных» появлением энергетических потерь, увеличивается. Фейгельман и его коллега Лев Иоффе, сотрудник ИТФ имени Л.Д. Ландау и руководитель Международной лаборатории физики конденсированного состояния Высшей школы экономики рассчитали, до какой степени можно увеличивать неупорядоченность проводника, чтобы добиться большей индуктивности и одновременно не терять заметной доли энергии на возбужденных колебаниях.

«Нам удалось выяснить, где надо остановиться по мере увеличения сопротивления «плохого» сверхпроводника, чтобы индуктивность получалась достаточно большой, а потери еще не возникли, – рассказывает Фейгельман. – Наша работа показывает, что существует фундаментальный предел, который ограничивает возможность получать сверхбольшие индуктивности». В будущем расчеты физиков помогут создать обладающие большой индуктивностью материалы из неупорядоченных сверхпроводников для использования в сверхпроводящей электронике.

* Стандарт напряжения создан на основе джозефсоновского контакта – двух слоев сверхпроводника, разделенных нанометровым слоем изолятора. В 1962 году британский физик Брайан Джозефсон предсказал, что в такой конструкции в изоляторе возникнет сверхпроводящий ток. Он появляется благодаря возникновению куперовских пар электронов, которые туннелируют сквозь барьер – то есть преодолевают его, несмотря на то, что, по законам классической механики, их кинетической энергии для этого недостаточно. Туннелирование имеет квантовую природу, и законы квантовой механики разрешают подобные процессы.

«Зимняя школа-конференция по локализации, взаимодействиям и сверхпроводимости» (а также описанное исследование – rscf.ru) проходила в ИТФ имени Л.Д. Ландау при поддержке гранта Российского Научного Фонда.