сверхпроводящая электроника

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.

Старые карты сокровищ рисовали по слухам: кто-то нашёл золото у реки, кто-то в горах, и каждый копал в своём месте. С высокотемпературными сверхпроводниками вышло похоже: купраты нашли в одних соединениях, пниктиды железа в других, никелаты в третьих, а общей карты не было.

Крошечная капсула, похожая на мыльный пузырь, но с оболочкой из светящихся кристаллов, ведёт себя как лазер. Пока её стенка цела, свет бегает по кругу, усиливается и вырывается узким ярким лучом. Стоит стенке лопнуть, и луч превращается в тусклое пятно. Такая капсула — это коллоидосома, и она умеет менять своё свечение по команде.

Сверхпроводник напоминает оркестр, который играет без единой фальшивой ноты, пока дирижёр не повернёт ручку настройки. В новой работе такой ручкой оказалась магнитная история никелевых контактов. Учёные создали сверхпроводящие микромембраны из оксидов LaAlO3 и SrTiO3, где на границе двух материалов возникает тонкий слой свободных электронов — двумерный электронный газ.

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.

Обычный проводник при прохождении тока нагревается — часть энергии рассеивается в виде тепла. Сверхпроводник лишён этого недостатка: электрический ток течёт по нему без потерь, как вода по идеально гладкой трубе.

Вселенная постоянно шлёт нам сигналы, но многие из них слишком слабы, чтобы их заметить. Реликтовые нейтрино — частицы, оставшиеся от Большого взрыва, — проходят сквозь Землю миллиардами каждую секунду, но поймать хотя бы одно — задача на грани возможного. Нужен детектор, который почувствует энергию в тысячу раз меньше, чем нужно, чтобы сдвинуть пылинку.

Тончайшую плёнку — тоньше человеческого волоса — из никелата лантана-стронция (La₀.₈Sr₀.₂NiO₂) поместили между алмазными наковальнями и начали сжимать.

В тонких слоях кристалла селенида тантала (TaSe₂) обнаружено свойство, бросающее вызов привычной физике. Когда между слоями этого материала внедрили атомы-гости, структура потеряла центр инверсионной симметрии — и внутри возникла сверхпроводимость с необычной защитой.

Тонкая, как мыльная плёнка, пластинка керамики — и в ней течёт ток без малейшего сопротивления. Так выглядит сверхпроводимость, которую удалось получить в никелатах — родственниках знаменитых купратных сверхпроводников. Обычно для этого требовалось гигантское давление, сравнимое с давлением на дне океана.

В классической термодинамике тепловые машины подобны музыканту-виртуозу на сцене: чем ближе к совершенству исполнения (КПД Карно), тем медленнее темп (мощность).

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.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант — кубит — должен играть свою партию точно и вовремя. Обычно музыкантов рассаживают на фиксированные места и соединяют проводами-пультами. Но что, если позволить им свободно передвигаться по сцене, а само движение превратить в часть музыки?

В бассейне вода обычно разбегается кругами от брошенного камня. Но если направить поток строго вдоль бортика, она побежит только по краю. Нечто подобное заметили в кусочках сверхпроводящего кристалла FeTe0.55Se0.45. Когда измеряли сопротивление, выяснилось: ток идёт не сквозь весь кристалл, а только по его острой, идеально ровной границе — словно по невидимому желобу.

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.

Слаженный оркестр электронов в сверхпроводнике легко сбить с ритма. Тепловые толчки разрушают хрупкий порядок, и сопротивление возвращается. Десятилетиями учёные искали способы укрепить этот ансамбль — в основном меняя состав материала или сжимая его до немыслимых давлений. Но есть и третий, почти бестелесный инструмент: пустота, наполненная электромагнитным гулом.

Тонкая плёнка из оксида иттрия-бария-меди греется в потоке инфракрасных лучей — и вдруг перестаёт рассеивать энергию. Это сверхпроводимость: электроны объединяются в пары и движутся единым квантовым роем. Но в недодопированных образцах согласие нарушается задолго до того, как пары распадутся. Они уже есть, а общий ритм ещё нет.

Электроны в обычном проводнике ведут себя как хаотичная толпа: сталкиваясь друг с другом и с дефектами решётки, они теряют энергию, что проявляется как электрическое сопротивление. В сверхпроводнике же электроны движутся согласованно, словно пары в слаженном танце, не задевая друг друга.

Резиновая лента, которая становится тем толще, чем сильнее её тянешь. В электричестве такое поведение называют отрицательной ёмкостью: чем больше заряда накапливается на обкладках, тем меньше напряжение. Обычный конденсатор работает наоборот — напряжение растёт вместе с зарядом.

Обычный диод в электронике работает как дорога с односторонним движением: ток идёт только в одну сторону. В сверхпроводниках, где электричество течёт без сопротивления, подобное поведение долго оставалось труднодостижимым — ток обычно симметричен. Авторы новой работы нашли способ создать идеальный сверхпроводящий диод с помощью света.

Сверхпроводник проводит ток без сопротивления — как вода, бегущая по трубе без трения. Секрет в электронных парах: два электрона слипаются в одно целое, хотя обычно отталкиваются. В обычном сверхпроводнике спины электронов в паре смотрят в разные стороны — это синглетное состояние. Его можно сравнить с двумя фигуристами, которые кружатся спина к спине.

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.

Камертон звучит всё тише не потому, что его перестали держать, а потому, что сама рука, ударяющая по нему, создаёт вокруг невидимую взвесь, гасящую колебания. Примерно так ведёт себя сверхпроводящий резонатор — крошечная дорожка, по которой почти без потерь бегает микроволновый сигнал.

В знакомых нам металлах вроде меди электроны движутся почти независимо — как автомобили на свободной трассе. Сопротивление возникает из-за редких столкновений, и его можно описать простыми формулами.

Ряды проводов, тянущихся из тёплой комнаты в холодильник с квантовым чипом, напоминают запутанный телефонный узел прошлого века. Каждый кубит требовал своего аналогового канала для точной настройки, а кабели несли лишнее тепло и путались под руками. Теперь исследователи поставили цифро-аналоговый преобразователь прямо в холодную зону, рядом с кубитами.

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.

Ткань, которая тянется только вдоль, но не поперёк. Примерно так устроен полудираковский материал: в нём электроны могут свободно двигаться в одном направлении, а в другом — почти не сдвигаются с места. Из-за этой необычной анизотропии на краях двумерного кристалла возникают особые дорожки — одномерные каналы. По ним электроны бегут только вдоль периметра, словно вода по жёлобу.

Представьте цепочку костяшек домино: первая падает, толкая соседнюю, и по цепочке бежит волна. Граница между упавшими и ещё стоящими костяшками — точная аналогия магнитной доменной стенки.

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.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию идеально, иначе мелодия рассыплется. Раньше для управления кубитами — квантовыми «музыкантами» — требовалась целая комната оборудования, и каждый лишний провод добавлял шума.

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.

Медная проволока под ударом лазера — это кухня, где повар одновременно включает плиту и следит за секундомером. Атомы меди начинают плясать, теряя строй кристаллической решётки, а электроны, как официанты в зале, мгновенно чувствуют перемену. Но сколько нужно беспорядка, чтобы они заметили? Оказывается, достаточно самого начала плавления.

Судья заходит в зал, но не смотрит на улики — он сразу выносит приговор. Так работает новый квантовый датчик: он не измеряет сигнал, а сразу решает, к какому классу тот относится. В обычном квантовом зондировании всё как в детективе: сначала собирают улики (измеряют сигнал), потом анализируют.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

В квантовом компьютере кубит похож на канатоходца: любое дуновение ветра — и равновесие потеряно. Ошибки накапливаются, и вычисление рассыпается. Обычно их исправляют, сравнивая соседние кубиты, но это как просить канатоходца оглядываться на соседей — лишние движения и риск.

Тонкая проволока из нового материала проводит электричество без потерь, если её остудить до трёх градусов выше абсолютного нуля. Это как вода, которая течёт по трубе, не встречая трения о стенки. Материал называется PtPb3Bi, и его особенность — внутреннее устройство, похожее на пучок нитей: электроны свободно бегут вдоль нити, но с трудом перескакивают между нитями.

Кусок металла, нагретый с одного конца, даёт слабый электрический ток — это известно почти двести лет. Но что, если вместо простого металла взять слоёный «бутерброд»: сверхпроводник, тонкий изолятор и плоский слой электронов? Через такой переход электроны просачиваются квантовым туннелированием, как вода сквозь пористую стенку, и при этом переносят тепло.

Ниобий — металл, который при охлаждении до нескольких градусов выше абсолютного нуля проводит ток без сопротивления. В лабораториях его наносят тонкими дорожками на подложку, как крем на торт. Но в процессе нанесения из специальной маски в металл проникает кислород, и он портит сверхпроводящие свойства.