эффект Джозефсона

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.

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.

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.

В узком коридоре люди идут не толпой, а рядами. Число рядов зависит от ширины прохода. В графене роль такого коридора играет квантовый точечный контакт — перетяжка, где электроны движутся баллистически, не рассеиваясь.

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.

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.

При низких температурах многие материалы становятся сверхпроводниками — электрический ток течёт без сопротивления. Но как возникает это состояние, если электроны сначала были заперты в изоляторе? Полвека назад Филип Андерсон предположил, что ответ кроется в особом квантовом танце частиц.

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.

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.

После Большого взрыва, согласно инфляционной космологии, Вселенная пережила стремительное расширение и серию фазовых переходов. В этот период, как полагают теоретики, в ткани пространства-времени могли застыть топологические дефекты — космические струны, доменные стенки, монополи.

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

Сверхтекучесть — состояние, в котором материя течёт без трения, — долго оставалась неуловимой в нейтральных бозе-конденсатах экситонов. В отличие от сверхпроводников, где магнитное поле вытесняется эффектом Мейсснера, здесь знаком стал сам голос квантовой жидкости — скорость звука.

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.

Обычная сеть из четырёх световых дорожек похожа на перекрёсток без светофора: сигнал гуляет по всем направлениям и смешивается. Но если смотреть только на часть выходов, картина меняется. Возникает иллюзия, будто в системе есть потери — хотя на самом деле энергия никуда не девается, просто уходит в ненаблюдаемые порты. Эта иллюзия и есть ключ к особой точке.

В длинном коридоре толпа людей старается держаться подальше друг от друга. В просторном зале они бы просто разошлись, но здесь стены сжимают так, что приходится двигаться гуськом, согласовывая каждый шаг. Похожим образом ведут себя электроны в слоях графена, повёрнутых один относительно другого на крошечный угол.

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.

Обычно сверхпроводимость — это история про холод. Чем ниже температура, тем легче электронам объединиться в пары и течь без сопротивления. Но в новой работе физики вырастили тонкие плёнки никелатов с добавкой европия и увидели обратную картину.

Сверхпроводник похож на идеальное шоссе без светофоров: электроны мчатся без помех. Но стоит подать напряжение, и картина меняется. В новом эксперименте физики обнаружили, что электрическое поле проникает в сверхпроводник и создаёт внутри смешанный режим.

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.

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.

Камень падает в пруд — и по воде разбегаются круги. Длинные волны и короткие движутся с одной скоростью: так ведёт себя обычный звук почти в любой среде. Но в квантовых жидкостях всё может быть иначе. Физики рассмотрели сверхтекучую жидкость, где частицы движутся по «плоской» энергетической полосе.

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.

Два тонких слоя полупроводника повернули друг относительно друга на 2,29 градуса — как два листа прозрачной бумаги с нарисованными сетками. Там, где линии почти совпадают, возникает крупный узор из тёмных и светлых пятен. Электроны в этом узоре ведут себя совсем не так, как в обычном кристалле.

Электрический ток в проводе похож на толпу людей, спешащих по коридору. Обычно каждый сталкивается со стенами и теряет скорость почти мгновенно — это и есть электрическое сопротивление. Но в некоторых материалах, как в здании с боковыми залами, носители заряда могут надолго заходить в особые «карманы» (энергетические долины) или подолгу сохранять энергию после толчка.

Танцпол заполнен людьми: каждый движется сам по себе, никто не держится за руки. Вдруг музыка становится громче и ритмичнее — соседи начинают хвататься друг за друга, образуя пары, которые кружатся синхронно. Примерно так выглядел эксперимент в лаборатории, где облако атомов лития, охлаждённых почти до абсолютного нуля, заставили резко усилить взаимное притяжение.

Солнечный свет падает на кремниевую пластину — и в цепи возникает ток. Это привычная работа фотоэлемента: свет выбивает электроны, а p-n переход (граница двух слоёв с разной проводимостью) заставляет их двигаться в одном направлении. Но в некоторых кристаллах ток рождается иначе — без всяких переходов, просто за счёт того, как сам материал устроен внутри. Среди таких откликов выделяют два.

Очередь из людей, которые держатся за руки, но смотрят в разные стороны: одни — на север, другие — на юг. Так устроен p-волновой магнит. Электроны в нём выстраивают свои магнитные моменты (спины) не хаотично, а по строгому волнообразному узору.

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.

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.

Шёпот в шумной комнате почти неразличим. Обычный усилитель добавит свой шум и заглушит слабый звук. Квантовый усилитель работает иначе: он усиливает сигнал, почти не добавляя лишнего шума, как идеальное ухо. Но даже у такого уха есть свои проблемы.

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.

Представьте танцпол: световые эффекты и движения танцоров обычно независимы – огни мигают сами по себе, люди двигаются в своём ритме. В микромире аналогичная картина: электроны и фотоны почти не синхронизируются. Это явление описывается теоремой о запрете сверхизлучения – фундаментальным ограничением, не позволяющим частицам и свету спонтанно обрести общий ритм.

Обычный лист чёрного фосфора похож на слоёный пирог из атомов. Если посветить на него обычной лампой, ничего особенного не произойдёт: электроны в нём сидят ровно, как зрители в тёмном зале. Но короткая вспышка лазера, длящаяся миллионные доли миллиардной секунды, встряхивает этот зал.

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.