Ученые изготовили и экспериментально исследовали свойства квантового метаматериала, состоящего из пятнадцати сверхпроводниковых зеркальных кубитов. Оказалось, что свойствами метаматериала можно управлять с помощью внешнего магнитного поля: в одном из двух возможных режимов он практически прозрачен для электромагнитного излучения, а в другом — непрозрачен. Статья опубликована в Nature Communications.
Метаматериалы состоят из большого числа повторяющихся структур, называемых мета-атомами. В качестве таких структур могут выступать микроскопические препятствия, изменяющие направление распространения света, кремниевые пластинки или связанные друг с другом гироскопы — в принципе, что угодно, если оно представляет интерес для исследователей. Разумеется, ученые изучают метаматериалы не только ради интереса — используя их, можно изготовить приборы с необычными свойствами, которые нельзя получить с помощью обычных материалов. Например, метаматериалы помогают преодолеть дифракционный предел или «выключить» след, образуемый объектом при движении в воде.
В особый класс метаматериалов выделяют квантовые метаматериалы, свойства которых описываются уравнениями квантовой механики. Несмотря на то, что в качестве мета-атомов для подобных материалов предлагаются самые разные структуры, все созданные на сегодняшний день квантовые метаматериалы представляют собой массивы соединенных в цепочку сверхпроводниковых кубитов — искусственных атомов, основанных на джозефсоновских контактах. Подобные цепочки обладают рядом интересных свойств. Например, в них могут возникать коллективные моды возбуждений. Тем не менее, во всех установках коэффициент пропускания, то есть отношение величины прошедшей электромагнитной энергии к величине падающей энергии, оставался практически постоянным, что затрудняло их использование в практических приложениях.
На этот раз группа ученых из Российского квантового центра, МИСиС, МФТИ и ряда институтов Германии и Британии под руководством Алексея Устинова собрала квантовый метаматериал из пятнадцати сверхпроводниковых кубитов, а затем показала, что его коэффициент пропускания можно изменять с помощью внешнего магнитного поля. Для этого экспериментаторы немного модифицировали стандартную схему искусственного атома, изготовив зеркальные кубиты (twin flux qubit). В обычных кубитах используется только три джозефсоновских перехода, а в зеркальных их целых пять, к тому же они расположены симметрично относительно центральной оси. Из-за этого система обладает дополнительными степенями свободы, а основное энергетическое состояние кубитов и энергия перехода начинают плавно изменяться в зависимости от потока магнитного поля, пронизывающего кубит.
В результате проводимость цепочки начинает существенно зависеть от величины магнитного поля, в которое она помещена. Чтобы определить ее проводимость, физики направляли на первый кубит в цепочке микроволновое электромагнитное поле, а затем измеряли энергию волны, переизлучаемой последним кубитом. Оказалось, что цепочка может работать в двух режимах, определяемых частотой излучения и величиной магнитного поля. В одном режиме она не пропускает электромагнитные волны, зато в другом практически прозрачна для них, причем ее проводимость оказывается даже выше, чем в предыдущих экспериментальных реализациях квантовых метаматериалов.
Качественно это поведение можно объяснить, рассматривая, какая разница фаз набегает на разных джозефсоновских переходах кубита. При низкой температуре (в эксперименте она не превышала двадцати милликельвинов) кубит находится в основном энергетическом состоянии, а потому разницу фаз можно однозначно восстановить по величине магнитного потока, пронизывающего мета-атом. При определенных значениях поля сдвиги фаз становятся равными либо нулю, либо π, и кубит «запирается». В других случаях, наоборот, кубит пропускает через себя ток практически без потерь.
В ноябре прошлого года мы писали о том, как ученые из МФТИ использовали искусственные атомы на основе сверхпроводниковых кубитов, чтобы продемонстрировать эффекты классического и квантового смешивания. Эта статья похожа на работу исследователей из МИСиС: ученые использовали близкие методы исследования, однако изучали разные эффекты. Более того, авторы этих статей частично совпадают: в обоих случаях в список соавторов входит Олег Астафьев, заведующий Лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ.
Подробнее прочитать про то, как в МИСиС исследуют квантовые метаматериалы, можно в нашем материале «Игры со светом».
Дмитрий Трунин