джозефсоновский ток

Дорогу не строят, снося соседние дома: сначала укладывают асфальт, а потом лишнее стачивают, оставляя ровное полотно. Примерно так же поступили физики из Гейдельберга, когда взялись за производство джозефсоновских контактов — крошечных сэндвичей из сверхпроводника и изолятора, через которые ток течёт без сопротивления.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако водорода и растягивает атомы, как ириску. Так выглядит сверхпроводник, когда в нём заперт незатухающий ток: вещество, в котором электричество течёт без потерь, превращается в миниатюрный постоянный магнит.

Переводчик в зале суда должен передавать каждое слово, не отвлекаясь на шум в зале. В квантовом мире роль такого переводчика играет сверхпроводящий резонатор, который должен терять фотоны строго по расписанию, не сбиваясь на посторонние эффекты.

Если через два спаянных проводника пропустить электрический ток, место спая нагреется или остынет — это эффект Пельтье, на нём работают автомобильные холодильники.

Сверхпроводящий квантовый интерферометр — это прибор, чувствующий магнитное поле в миллиарды раз слабее, чем стрелка обычного компаса. Внутри него есть узкий мостик, где сверхпроводимость на мгновение прерывается. Этот мостик работает как турникет для магнитного потока: считая, сколько квантов потока прошло, прибор измеряет поле.

Водопроводная труба: чем она шире, тем больше воды проходит. В сверхпроводящих контактах — джозефсоновских переходах (мостиках, по которым ток течёт без сопротивления) — обычно так же: чем лучше материал проводит в обычном состоянии, тем больший сверхпроводящий ток через него течёт.

Переход Джозефсона — это мостик из сверхпроводника, разделённый тончайшей изолирующей прослойкой. Через него течёт ток, даже если нет напряжения. Но когда ток становится слишком большим, мостик начинает колебаться, и на графике напряжения проступают ровные ступеньки — шаги Шапиро. Между этими ступеньками прячутся невидимые щели, где система ведёт себя странно. Раньше их считали просто математическим курьёзом.

Капля за каплей из крана — или ровная струя без единого всплеска. Примерно так выглядят два режима тока в сверхпроводящем контакте. Только роль воды играют куперовские пары — связанные электроны, которые движутся без сопротивления. В одном пределе пары просачиваются по одной, как редкие капли: ток идёт, но с потерями. В другом — льются единым потоком, совсем без трения.

Обычный электрический ток греет провода — это знает каждый, кто трогал зарядку телефона. Но есть ток иного сорта: в нём электроны не бегут толпой в одну сторону, а синхронно вращаются, словно фигуристы в парном катании. Такое согласованное вращение называют спиновым током, и оно почти не выделяет тепла.

Тонкая плёнка особого кристалла — например, дисульфида молибдена — лежит на предметном столике. Температура чуть выше той, при которой материал становится сверхпроводником.

В квантовом мире свой танец. Два сверхпроводящих тороида, уютно удерживающие каждый свой квантованный магнитный поток, кружатся в синхронном вальсе. Между ними — вакуум, ни одной силовой линии, но они безошибочно вторят движениям друг друга.

Сверхпроводящие кубиты — бьющееся сердце квантовых компьютеров, но их ритм сбивает декогеренция: квантовость растворяется в шуме. Традиционные архитектуры либо теряют точность управления, либо полагаются на магнитные поля — а те, как незваные дирижёры, вносят перекрёстные помехи.

В сверхпроводящем кольце, похожем на шайбу, ток иногда течёт в одну сторону легче, чем в другую. Это свойство называют диодным эффектом. Обычно его направление жёстко задано структурой материала. Но в новой работе физики показали, что его можно переключать — и делает это число магнитных вихрей, запертых в кольце.

Классический парадокс Мпембы — горячая вода замерзает быстрее холодной — веками дразнил учёных. Лишь недавно неравновесная статистическая механика объяснила: всё дело в граничных условиях; система словно ищет повод «удариться о стену», чтобы ускорить охлаждение.

Сверхпроводимость часто представляют как застывший танец электронов: они объединяются в пары и движутся без сопротивления, словно фигуристы на идеальном льду. Но в высокотемпературных сверхпроводниках этот лёд оказывается не таким уж гладким.

В кристалле CsV3Sb5-xSnx, который при низких температурах становится сверхпроводником, ток течёт не сплошным потоком, а по узким извилистым дорожкам. Разглядеть эти дорожки помог сканирующий микроскоп с чувствительным датчиком магнитного поля — он улавливает малейшие токи, словно эхолот прощупывает дно.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Вселенная похожа на многослойный пирог, где наш слой — звёзды, планеты и люди — лишь один из многих. В соседнем слое, который физики называют скрытым сектором, кипят свои процессы. Эта работа рассказывает об одном таком процессе — фазовом переходе первого рода, когда вещество резко меняет состояние, как вода превращается в лёд.

Сверхтвёрдое тело — экзотическое состояние материи, сочетающее кристаллический порядок со сверхтекучестью: вещество одновременно сохраняет жёсткую периодическую структуру и течёт без трения. Его получают, охлаждая атомы почти до абсолютного нуля.

В водопроводной системе вода порой течёт не сплошным потоком, а отдельными одинаковыми порциями — будто кран открывается и закрывается, пропуская каждый раз строго одну каплю. Примерно так ведёт себя электрический ток в сверхпроводящих контактах, называемых джозефсоновскими переходами.

Качели могут раскачиваться сильно или едва заметно. Обычно, если их не трогать, они остаются в выбранном режиме. Но в микромире всё иначе: крошечная мембрана, колеблющаяся под действием лазерного луча, способна самопроизвольно перепрыгивать из одного размаха в другой. Это похоже на побег с одной орбиты на соседнюю, только движет этим побегом не ракета, а вездесущий квантовый шум.

Атом — как дирижёр, а свет в резонаторе — оркестр. Обмен энергией между ними, известный как взаимодействие Джейнса–Каммингса (часть Стандартной модели), позволяет атому взмахами «палочки» менять ритм и тембр колебаний.

Мостик из алюминия толщиной в несколько атомов — сердце многих квантовых приборов. Через такой мостик ток течёт без сопротивления, и им можно управлять магнитным полем. Такие мостики называют джозефсоновскими контактами — по имени британского физика, который описал их поведение. Обычно их делают с помощью электронного луча, но это дорого и медленно.

Обычная флешка в кармане греется, даже когда просто лежит. А теперь представьте память, которая в холоде почти ничего не тратит — как термос, который не остывает. Сверхпроводник при температуре жидкого гелия проводит ток без потерь, но хранить данные он не умел. Новая ячейка меняет это. Внутри — слоёный бутерброд из ниобия и магнитных плёнок.

Сверхтекучий газ ведёт себя как жидкость без трения. Два облака такого газа соединяются узким мостиком, и через него течёт поток частиц. Это напоминает эффект Джозефсона в сверхпроводниках, только вместо электронов — нейтральные атомы.

Когда вы нажимаете выключатель, свет загорается не сразу — электронам в проводах нужно время, чтобы «раскачаться» и дружно двинуться в путь. В обычных металлах и полупроводниках ток набирает силу постепенно, как вода в шланге, когда кран только открыли.

В мире сверхпроводников электроны не любят одиночества. Обычно они объединяются в пары — куперовские пары — и движутся без сопротивления, как фигуристы, взявшись за руки. Но можно заставить их танцевать вчетвером. Авторы этой работы предлагают схему, где рождаются квартеты Купера — группы из четырёх электронов, обменивающихся партнёрами в быстром ритме.

Два сверхпроводящих берега соединяет мост из магнитного материала. Внутри моста — доменная стенка: узкая граница, где намагниченность разворачивается, как строй солдат, меняющий направление шага. Ток, текущий через такой мост, ведёт себя не как спокойная река, а как поток, огибающий препятствие: он закручивается в петли и меняет силу.

Квантовый чип похож на слоёный пирог: сверхпроводящий металл, тонкий слой изолятора, снова металл. Раньше слои наносили через полимерную маску — как трафарет для краски. Полимер оставлял на поверхности невидимые капли, которые портили сверхпроводимость и мешали чистоте. Теперь маску убрали. Вместо неё в кремнии вытравливают канавки — как бороздки на грядке.

Два одинаковых автомобиля сходят с одного конвейера. Кузов, колёса, руль — всё совпадает. Только в одном стоит обычный бензиновый мотор, а в другом — гибридный, который можно подстраивать под дорогу. И вот гибрид глохнет через пару километров, а бензиновый едет десятки. Примерно так обстоят дела с двумя типами сверхпроводящих кубитов — строительных блоков квантового компьютера.

Лист графена толщиной в один атом скручивают под небольшим углом, и он начинает вести себя как слоёный пирог, где слои слегка повёрнуты друг относительно друга. При определённом угле поворота этот материал становится сверхпроводником: электроны начинают двигаться парами, как танцоры в вальсе, не теряя энергии. Но что именно происходит внутри, до сих пор оставалось загадкой.

Сверхпроводящие схемы часто строят на переходах Джозефсона — местах, где ток течёт без сопротивления через тонкий барьер. Обычно таким барьером служит слой оксида, но его свойства трудно контролировать на наноуровне. В новой работе барьером становится тонкий слой нитрида ниобия или титана, зажатый между слоями ниобия.

Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.

Квантовая точка — это как крошечный островок, на котором может поселиться один или несколько электронов. В новой работе такой островок соединили с двумя «морями» электронов: одно плоское, как блин, другое объёмное, как океан. Электроны могут перепрыгивать с островка в моря и обратно, и этот прыжок зависит от формы волны электрона на островке.

В сверхпроводящем резонаторе свет не просто отражается — он обнимает кубит так крепко, что их общий танец уже не описать старыми учебниками. Исследователи взяли нанопроволоку из арсенида индия, сделали из неё сверхпроводящий кубит и поместили в микроволновый резонатор.

Обычный сверхпроводящий кубит похож на качели, которые раскачивает любой порыв ветра. Малейшее изменение электрического заряда рядом — и квантовое состояние уже испорчено. В новой работе физики сделали качели с тяжёлым основанием: заряд на островке кубита может меняться только парами, как будто монетки кидают в копилку строго по две. Это и есть защита от зарядового шума.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен играть свою ноту без фальши. Но у сверхпроводящих кубитов есть общая беда: на их электродах копятся случайные заряды, и «нота» уплывает. Инженеры называют это дрейфом зарядового смещения — и обычно борются с ним годами.

Сверхпроводящий контакт — это как узкий мостик между двумя берегами, по которому без трения течёт ток. Положите такой мостик рядом с массивной звездой — и он ощутит, как время течёт медленнее у её поверхности. Часы на берегу идут в разном темпе, и ток начинает колебаться по-другому. Но если звезда медленно вращается, картина усложняется.

Сверхпроводник проводит ток без потерь, как идеально ровная дорога, по которой машины едут без трения. Но что, если на дорогу насыпать камней и ям? Учёные решили проверить это, добавив беспорядок в сверхпроводящий материал толщиной в один атом. Они взяли тончайший слой соединения железа, теллура и селена — сверхпроводник при температуре выше, чем у многих других.

Кубит — вычислительная ячейка квантового компьютера — живёт доли миллисекунды, а потом забывает своё состояние. Одна из причин — крошечный контакт внутри него: два слоя алюминия, между которыми зажат слой оксида алюминия толщиной в пару нанометров.