Физики разработали устройство памяти, способное работать при сверхнизких температурах

Стандартные полупроводниковые запоминающие устройства неспособны работать при сверхнизких температурах, поэтому поиск методов создания их эквивалентов, которые могли бы функционировать при температуре жидкого гелия (-268.8°C), сейчас особенно актуален. Учёные из МФТИ и Стокгольмского университета разработали уникальную конструкцию, благодаря которой можно задавать, переключать и сохранять значение фаз в джозефсоновских контактах — базовом элементе квантовой и сверхпроводящей электроники.

«Сверхпроводимость сама по себе — интересный квантово-механический эффект в том смысле, что электроны в сверхпроводнике ведут себя как единое целое — лежат на одном энергетическом уровне и описываются одной волновой функцией. При этом, в отличие от атомов и фотонов, проявляя квантовые свойства, сверхпроводник имеет макроскопические (десятки микрон) размеры. Когда атомы ведут себя квантово-механически, это не вызывает удивления, а для таких огромных объектов это крайне неожиданно», — рассказывает автор статьи ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии МФТИ Владимир Краснов.

Джозефсоновские контакты — конструкции из двух сверхпроводников, разделённых тонким изолятором, между обкладками которого способен течь сверхпроводящий ток. Величина тока в таких конструкциях определяется за счёт разности фаз, устанавливаемая между волновыми функциями электронов в ходе туннельного обмена.

Чтобы реализовать контролируемое изменение фаз, учёные запустили в сверхпроводнике вихри Абрикосова. В таких условиях сверхпроводник не допускает в себя магнитное поле, однако в определённых кондициях оно может проникать отдельными квантами, не влияя на саму сверхпроводимость. Вокруг места проникновения начинает циркулировать свободный ток. Передвигая такие вихри, можно менять разность фаз на джозефсоновском контакте.

«В 2015 году на основе вихрей Абрикосова мы создали прототип памяти для квантового компьютера. Это было гораздо проще: мы доказали, что можем включать или выключать вихрь, получая 1 или 0, для памяти этого достаточно. Наше новое устройство может с помощью небольших манипуляций импульсом тока менять разность фаз. Точность сдвига контролируется с помощью системы специально созданных дефектов — просверленных на поверхности кристалла дырочек-ловушек. “Пинок” импульсом тока заставляет вихрь “вылететь” из одной ловушки и попасть в следующую. Примерно так же на неровной поверхности мячик скатывается в ямку, поскольку это выгодно энергетически. Сдвигая вихрь на расстояние порядка его размера, мы вызываем существенное изменение фазы. Системы из четырех ловушек нам хватило, чтобы, переключаясь между ними, изменять разность фаз практически непрерывно в диапазоне от нуля до 3π, чего более чем достаточно для практического применения», — поясняет Владимир Краснов.

Главные достоинства разработанного устройства — его миниатюрность и автономность. Благодаря этому прибор может стать базовым для сверхпроводниковой электроники.

Фото: Nano Letters