Исследователи из МФТИ совместно с французскими коллегами из Университета Бордо провели уникальный опыт по манипуляции одиночными вихрями Абрикосова в сверхпроводнике оптическим методом. В статье, опубликованной в Nature Communications, ученые говорят о возможности создания новых квантовых логических элементов для суперкомпьютеров.

Явление сверхпроводимости, или отсутствия электрического сопротивления, наблюдается во многих материалах при низких температурах: от −273 до −70 по Цельсию. Переход в сверхпроводящее состояние сопровождается вытеснением магнитного поля из объема сверхпроводника. Вытеснение может быть как полным (магнитное поле внутри тела равно нулю), так и неполным.

Эффект неполного вытеснения был объяснен в 1957 году Алексеем Абрикосовым, за что в 2003 году он был удостоен Нобелевской премии. Материалы, в которых вытеснение является неполным, получили название сверхпроводников второго рода. Помимо этого Абрикосов показал, что проникновение поля возможно только небольшими порциями — квантами магнитного потока. Увеличение магнитного поля сопровождается рождением в сверхпроводнике кольцевых токов — вихрей Абрикосова.

«Сверхпроводники второго рода используются повсеместно: это и медицина, и энергетика, и многие другие отрасли промышленности. «Вихревая материя» в свою очередь определяет свойства сверхпроводников. Поэтому контроль над ней и ее изучение — важнейшие задачи современной физики», — говорит сотрудник Лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ Иван Вещунов, один из авторов статьи.

Для передвижения вихрей ученые использовали сфокусированный лазерный пучок. Вихри Абрикосова имеют тенденцию смещаться в зоны с более высокой температурой — таковыми являлись прогретые лазером области тонких пленок ниобия, охлажденных до температуры −268 градусов по Цельсию. Важным моментом является тот факт, что при перегреве сверхпроводимость в образце разрушается, поэтому необходимо очень точно регулировать интенсивность лазерного излучения.

Справа — одиночные вихри, слева — аббревиатура «Abrikosov Vortices».

Так как вихри являются носителями элементарного кванта магнитного потока, с их помощью можно создавать различные конфигурации магнитного поля для физических исследований. Одну из таких конфигураций использует сама природа: при определенном магнитном поле вихри сами выстраиваются в виде треугольной решетки. Сдвигая вихри, можно получить новые типы решеток или вихревых линз.

По словам авторов, одной из областей применения исследованного процесса может стать разработка оптических систем управления быстрой одноквантовой логикой (БОК-логикой). Она представляет одно из направлений развития квантовых компьютеров. Эта технология считается самой перспективной кандидатурой для создания сверхбыстрой памяти для квантовых компьютеров. На данный момент элементы БОК-логики используются в цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователях, сверхточных магнитометрах, элементах памяти. Существуют и прототипы вычислительных машин, например американский компьютер FLUX-1. Однако управление схемами БОК-логики в них в основном реализуется с помощью импульсов электрического тока. Переход к оптическому управлению — одно из направлений, в котором будут развиваться сверхпроводящие системы.

То, что сделали ученые, на профессиональном сленге называется «proof of concept» — проверка того, что данный метод может быть использован для последующего изучения вихрей Абрикосова. Физикам еще предстоит выяснить, как повышение температуры приводит к срыву вихрей с места, исследовать свойства решеток, которые они образуют, разобраться в их динамических свойствах. Все эти аспекты являются определяющими для понимания физики сверхпроводников и для возможности конструирования принципиально новых элементов микроэлектроники на их основе.