Сверхпроводимость очень чувствительна к внутренней организации материала, в котором проявляется. Чтобы уговорить эту «птицу счастья» стабильно работать, физики тщательно следят практически за каждым атомом в сверхпроводниках и всеми воздействиями электромагнитных полей. Ученые могут контролировать хаотичные процессы в материалах, но могут их и использовать.
Сверхпроводящие материалы при особых условиях способны проводить ток без потерь на сопротивление. В основном они полностью вытесняют из своего объема магнитное поле, однако после некоторого порогового значения поле становится таким сильным, что может проникать внутрь сверхпроводников второго типа в виде крошечных вихрей. Их называют вихрями Абрикосова. У каждого такого объекта вокруг сердцевины без сверхпроводящих свойств течет ток куперовских пар.
Ученые рассматривали вихри Абрикосова как дестабилизирующее сверхпроводник явления — на них происходят потери энергии, что снижает эффективность сверхпроводящих систем. Международная группа физиков смогла создать стабильные вихри внутри микроволнового резонатора из гранулированного алюминия. В этой системе вихри формируют кубиты, состоянием которых исследователи смогли управлять. Детали работы опубликованы в журнале Nature.
Ученые работали с сильно неупорядоченными сверхпроводящими тонкими пленками гранулированного алюминия, находящимися вблизи перехода сверхпроводник — изолятор. Стабилизировать вихри удалось из-за структуры материала, в котором сверхпроводящие островки разделены не проявляющим этих свойств оксидом алюминия. Из этого материала физики сформировали микроволновый резонатор, в котором запертые вихри Абрикосова перемещаются по механизму квантового туннелирования в сложном энергетическом ландшафте системы.
В статье ученые демонстрируют, что в этих условиях вихри не только управляемы, но и ведут себя как атомы с двумя четко различимыми состояниями. То есть они удовлетворяют ключевому требованию для использования в качестве кубитов в квантовых технологиях. Физики смогли изменять состояние вихрей и считывать его с помощью микроволновых основанных на квантовой электродинамике методов. Время когерентности и релаксации находится в диапазоне микросекунд, а значит сравнимы с существующими сверхпроводящими кубитами.
«Еще один важный результат нашего исследования заключается в очередном подтверждении, что при благоприятных условиях даже явления, долго считавшиеся нежелательными, могут становиться ценными ресурсами. Это открывает совершенно новые перспективы для разработки будущих квантовых систем», — рассказал руководитель исследовательской группы профессор Йоан М. Поп (Ioan M. Pop).