Сверхпроводник передал квантовые вихри обычному металлу
Физики экспериментально показали, что сверхпроводник может вызвать в находящемся в непосредственной близости обычном металле появление квантовых вихрей, в которых вихревые сверхпроводящие токи окружают цилиндрическое магнитное ядро. Причиной возникновения таких структур становится эффект наведенной квантовой когерентности, при этом размер вихрей в нормальном металле оказывается в несколько раз больше, чем в самом сверхпроводнике, пишут ученые в Nature Communications.
В сверхпроводниках при понижении температуры происходит переход из обычного проводящего состояния в сверхпроводящее, в котором сопротивление становится равным нулю, а магнитный поток — выталкивается из материала наружу. Этот переход может происходить резко (в таком случае материал называют сверхпроводником первого рода) или постепенно (в сверхпроводниках второго рода). Механизм второго типа переходов ученые объясняют образованием в структуре материала вихрей сверхпроводящего тока (вихрей Абрикосова), которые образуются вокруг несверхпроводящего магнитного ядра цилиндрической формы, ось которого направлена вдоль линий магнитного поля.
Физики из России и Франции под руководством Василия Столярова (Vasily Stolyarov) и Дмитрия Родичева (Dimitri Roditchev) из Московского физико-технического института показали, что такие же квантовые вихри с выраженным магнитным ядром могут образоваться и в достаточно толстом слое обычного несверхпроводящего металла, если его поверхность находится в непосредственной близости от поверхности сверхпроводника. Обнаружить этот эффект ученым удалось с помощью сканирующей туннельной микроскопии в системе, состоящей из слоя ниобия толщиной 100 нанометров, разделенного нанометровым зазором с пленкой меди толщиной 50 нанометров.
Измерения ученые проводили в условиях сверхвысокого вакуума при температуре от 4 до 4,5 кельвина, при которой ниобий проявляет свойства сверхпроводника второго рода, а медь находится в обычном проводящем состоянии. Перпендикулярно плоскому зазору прикладывали магнитное поле: сначала увеличивая его постепенно от 5 до 55 миллитесла (чтобы произошло образование вихрей), а потом резким скачком поднимая сразу до 120 миллитесла (чтобы влияние вихрей распространилось на соседнюю медь). В результате вихри, которые изначально образовались в ниобии, насквозь «пересекали» слой меди и оказывались на наружной поверхности металла, так что их можно было зафиксировать на картах проводимости с помощью туннельного микроскопа.
К такому эффекту приводит наведенная квантовая когерентность между двумя металлами, в результате которой в обычном металле появляются квантовые вихри, а в сверхпроводнике — происходит частичное нарушение порядка. Этот же эффект используется в большом количестве различных сверхпроводниковых систем — от простых джозефсоновских контактов до квантовых компьютеров. Что интересно, в данном случае он привел к образованию в обычном металле вихрей, магнитное ядро которых оказалось в несколько раз больше, чем у вихрей Абрикосова в самом ниобии.
Экспериментальные наблюдения физики подтвердили с помощью численного решения уравнения Узаделя и показали, что наведенная квантовая когерентность действительно может приводить к возникновению вихревых структур в обыкновенном металле. Эти вихри возникают непосредственно над вихрями Абрикосова в сверхпроводнике, но за счет влияния циркулирующих экранирующих токов их магнитное ядро оказывается значительно больше по размеру. Предложенная для теоретического описания численная модель позволила изучить поведение (в частности концентрацию и спектральные характеристики) квантовых вихревых структур в меди в зависимости от температуры и величины магнитного поля.
По словам ученых, описанный ими механизм формирования квантовых вихрей в обычном металле дает возможность создать метод управления их свойствами с помощью внешних условий. Такой контроль, в свою очередь, в будущем может позволить использовать этот эффект при создании сверхпроводящих кубитов, исследовании майорановских состояний и топологической сверхпроводимости.
Возникающие в сверхпроводящих материалах вихри Абрикосова часто проявляют довольно интересные свойства. Например, именно такие вихри оказались самыми быстрыми объектами на Земле после фотонов и других субатомных частиц. Так, в сверхпроводящей пленке из свинца при температурах порядка 7 кельвинов их скорость достигают 20 километров в секунду. А шведские физики предложили использовать вихри Абрикосова для разработки сверхпроводящего элемента памяти.
Александр Дубов
Устройство необходимо для разгона электронов в линейном ускорителе
Ученые из Института ядерной физики имени Будкера СО РАН создали ключевой элемент будущего источника синхротронного излучения СКИФ — клистрон, устройство, которое будет обеспечивать линейный ускоритель СКИФа током высокой мощности и сверхвысокой частоты, сообщили пресс-службы института и Минобрнауки РФ. Разработка стала вынужденным шагом: ученые планировали закупить клистроны в Японии, но из-за санкций фирма-подрядчик разорвала контракт. Проект «Сибирского кольцевого источника фотонов» (СКИФ) был утвержден в октябре 2019 года. Предполагается, что он будет генерировать синхротронное излучение с энергией фотонов от 1 до 100 килоэлектронвольт, которое будет использоваться для высокоточного рентгеноструктурного анализа, то изучения характера рассеяния излучения в толще образца. Такого рода «просвечивание» необходимо для многих задач в физике твердого тела, для разработки новых материалов, биомедицинских исследований. Подробнее об этом мы писали в материале «Больше синхротронов». Первый элемент СКИФа — линейный ускоритель (линак), который должен будет выдавать поток электронов с энергиями в 200 мегаэлектронвольт. Частицы разгоняются в нем благодаря переменным электрическим полям высокой частоты в СВЧ-резонаторах. В свою очередь, для питания СВЧ-резонаторов нужен электрический ток сверхвысокой частоты. Устройство, которое для этого предназначено, называется клистроном. В апреле 2023 года физики ИЯФа проверили в действии «первую ступень» линака, разогнав в нем электроны до энергии 30 мегаэлектронвольт. Однако, как пояснил N + 1 завлабораторией ИЯФ Алексей Левичев, в этом эксперименте использовался клистрон японской фирмы Canon, который институт успел получить до введения санкций. По его словам, для полноценной работы линака требуется четыре клистрона — три работающих и один резервный. Поскольку клистроны с нужными параметрами выпускают только в США, Франции и Японии, физикам пришлось создавать устройство самостоятельно. Клистрон представляет собой разновидность электронной лампы. В нем есть катод, где формируется поток электронов. Затем этот поток ускоряется и попадает во входной резонатор, где под действием электрического поля он становится дискретным — разбивается на сгустки, которые, в свою очередь, наводят ток сверхвысокой частоты в выходном резонаторе. Затем электроны «ловит» коллектор и цикл повторяется. Таким образом из непрерывного тока получают ток с частотой колебаний около 3 гигагерц. При испытаниях клистрона, созданного в ИЯФе была получена мощность в 50 мегаватт. По словам, директора ИЯФ Павла Логачева, создать собственный клистрон устройство они смогли благодаря благодаря тому, что Национальная ускорительная лаборатория SLAC подарила институту клистрон, и физики научились с ним работать. По его мнению, эта технология в дальнейшем будет востребована для других ускорительных установок в России — для синхротрона, источника комптоновского излучения в Сарове, источника нейтронов в Дубне. По словам Левичева, проект линейного ускорителя разрабатывался под параметры японского клистрона, поэтому собственная их установка в максимально возможной степени соответствует «исходнику». Однако соответствие все же не стопроцентное, поэтому, вероятнее всего, три сибирских клистрона будут основными, а японскому останется роль резервного. Испытания линака со всеми тремя клистронами и на проектной энергии в 200 мегаэлектронвольт сейчас планируются на лето 2024 года, добавил Левичев. Раньше мы рассказывали, как японским ученым удалось увидеть с помощью синхротрона двухщелевую самоинтерференцию одиночных электронов во времени.