Учените са открили, че изпъкналости с височина едва един атом могат точно да насочват квантовите вихри в свръхпроводниците, улеснявайки движението им в зададена посока повече от 1000 пъти. Този удивителен контрол върху квантовото движение обещава да доведе до появата на ново поколение свръхпроводяща електроника – свръхефективна и с висока производителност.

Свръхпроводниците са необичайни материали, които при охлаждане под критичната температура могат да провеждат електрически ток без съпротивление. Това свойство ги прави привлекателни за разработването на изключително енергийно ефективна електроника и други авангардни технологии. В същото време в свръхпроводниците могат да възникнат миниатюрни квантови структури, известни като вихри на Джозефсън. Те се образуват там, където магнитни полета проникват в материала, създавайки малки области, обградени от циркулиращи електрически (свръхпроводящи) токове. Когато вихрите се движат в материала, те могат да създават електрическо съпротивление и по този начин да влияят върху характеристиките на свръхпроводника.

Откритият от учените ефект позволява да се управлява движението на квантовите вихри, което потенциално може да помогне за по-ефективното използване на свойствата на свръхпроводниците. Доскоро обаче не беше възможно да се осъществи такъв контрол. Освен това, управлението на вихрите в перспективните свръхпроводници, представляващи особен интерес за електрониката на бъдещето е още по-сложно.

Откритието е направено от изследователи от Центъра за наноархитектурни материали (MANA), част от Японския национален институт по материалознание (NIMS). Тяхната работа предлага нов, многообещаващ подход към управлението на квантовото поведение на вихрите в свръхпроводниците и в крайна сметка може да помогне на инженерите да разработят свръхпроводяща електроника, която ще консумира значително по-малко енергия и ще обработва информацията по-ефективно.

Учените са открили, че миниатюрни изпъкналости с височина само един атом могат да действат като микроскопични железопътни релси, насочвайки движението на квантовите вихри вътре в ултратънък свръхпроводник. Изследователите са изследвали атомно тънък слой индий върху силициева повърхност Si(111). Структурата на повърхността и разположението на вихрите са наблюдавани директно с помощта на сканиращ тунелен микроскоп.

При определени условия вихрите са се движели по дължината на изпъкналостите над 1000 пъти по-лесно, отколкото напречно на тях. Изследователите също така откриха, че този ефект може да се регулира просто чрез промяна на температурата или магнитното поле. При индукция на магнитното поле от приблизително 0,10 до 0,20 T енергийната бариера, препятстваща движението на вихрите по стъпалата, намаляваше практически до нула. Възниква режим на еднопосочно движение без закрепване на вихрите към дефектите в материала: те могат свободно да се придвижват по стъпалата, въпреки че движението напречно на тях остава значително по-затруднено.

Изследователите са оценили разликата в подвижността въз основа на резултатите от измерванията на електрическото съпротивление в схема с четири контакта. При най-ниските температури квантовото тунелиране започна да играе съществена роля в движението на вихрите – преминаване през енергийна бариера, което не може да бъде преодоляно по този начин в рамките на класическата физика. Това също представлява интерес за по-нататъшни изследвания.

Като цяло експериментите са показали, че движението на вихрите може да се управлява сравнително лесно чрез промяна на температурата и магнитното поле. Въпреки че за практическо приложение ще са необходими по-нататъшни разработки, резултатите от изследването отварят перспективи за управление на движението на вихрите в атомно тънки материали. В бъдеще този подход може да намери приложение в свръхпроводящите технологии и ще позволи създаването на по-ефективни устройства, които консумират по-малко енергия.