Экспериментальное открытие фундаментального физического явления — событие редкое. Однако физикам из Сколковского института науки и технологий вместе с коллегами из европейских научных организаций удалось экспериментально продемонстрировать одно из таких явлений — нестационарный эффект проскальзывания фазы. Оно обещает стать столь же перспективным, как и джозефсоновский эффект, благодаря которому мы имеем эталон напряжения и сверхчувствительные детекторы магнитного поля.
Этот эффект проявляется в виде образования ступенек электрического тока, протекающего через сверхпроводниковые нанопроволочки под действием СВЧ-излучения. Нанопроволочка из сверхпроводника играет роль туннельного барьера для квантов магнитного потока точно так же, как джозефсоновский переход (тонкая прослойка изолятора между двумя сверхпроводниками) служит туннельным барьером для электрических зарядов. С точки зрения классической физики, такой переход не отличается от полного разрыва цепи, однако квантовомеханический туннельный эффект позволяет току протекать через такие зазоры без всякого сопротивления. Аналогично магнитный поток не может «перескочить» через проволочку в классической физике (сверхпроводник экранирует магнитное поле), но может «протуннелировать» через нее благодаря законам квантовой механики.
Международная группа ученых во главе с профессором Сколтеха и руководителем Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Олегом Астафьевым описала один из немногих остававшихся нереализованными эффектов фундаментальной физики, до сих пор пребывавший в статусе «предсказан теоретически» — нестационарный эффект проскальзывания фазы, который проявляется в виде обратных ступенек Шапиро в сверхпроводниковых нанопроволочках: в вольт-амперных характеристиках образуются ступеньки по току при изменении напряжения в отличие от ступенек по напряжению в давно известном эффекте Шапиро на джозефсоновских переходах.
И хотя советские физики Константин Лихарев, Александр Зорин и Дмитрий Аверин из МГУ предсказали появление таких ступенек еще в 1990 году, их долго не удавалось впрямую наблюдать на практике. Ключом к успеху оказался правильно подобранный материал для нанопроволочки (тонкие пленки нитрида ниобия), а также специальная и необычная электрическая схема: рядом с нанопроволочкой изготовили компактные индуктивные элементы микронных размеров из того же материала.
Наблюдение «обратных ступенек Шапиро» не просто подтверждает существование этого фундаментального физического явления. Оно еще и открывает путь к созданию новых типов приборов, а это востребовано как в фундаментальных научных исследованиях, так и при создании новых устройств, в частности, метрологических стандартов тока.