RIKENi Arenenud Teaduse instituudi uurijad kavandasid koos kolleegidega uut tüüpi kvantbiti, mida nimetatakse „faasi-lõhe kvantbitiks“. See uudne kvantbitt võimaldas läbi viia maailma esimese „koherentse kvant-faasi lõhe“ (coherent quantum phase slip ) demonstratsiooni. Teedrajav tulemus valgustab tabamatut fenomeni, mille olemasolu – saja-aastase ülijuhtivuse teooria loomulikku tulemust – on kaua spekuleeritud, kuid pole seni kunagi vaadeldud.
Ülijuhtivale silmusele lisati õhuke ülijuhtiv juhe. Pilt: RIKEN
Ülijuhtivus kirjeldab nähtust, mille korral elektronid läbivad teatud tüüpi aineid ilma takistuseta juhul, kui neid on jahutatud alla teatud temperatuuri. Ülijuhtivuse tähtsaimate rakenduste seas on tunnelkontakt ehk Josephsoni ühendus, mis on nime saanud füüsiku Brian Josephsoni järgi. Ta ennustas 1962. aastal, et ülijuhtivus võib tekitada kanali õhukese isoleeriva kihiga eraldatud ülijuhtide vahele. Tunnelkontaktiks ehk tunnelsiirdeks nimetatud fenomeni on rakendatud mitmesugustes kasutusalades, sealhulgas magnetomeetrite kavandamisel, pinge normeerimisel ja kvant-arvutustehnikas, kirjutab Phys.org.
Sellel joonisel on kujutatud Josephsoni tunnel (vasakul) ja koherentne kvant-faasi lõhe (paremal). Vasakul on kaks ülijuhti eraldatud õhukese isolaatoriga (käesoleval juhul ruumiga). Ülijuhtiv elektronpaar tekitab üle isolaatori tunnelleerides elektrivoolu. Paremal eraldab kaht isolaatorit ülijuht. Elektrivoolu tekitab üle ülijuhi tunnelleeriv magnetvoog. Pilt: RIKEN
Teadlased on kaua olnud teadlikud intrigeerivast teoreetilisest paralleelist tunnelsiirdele, milles isolaator ja ülijuht vahetavad kohad: selle asemel, et elektrilaengud hüppaksid ühest ülijuhtivast kihist teise üle isolaatorist kihi, hüppavad magnetvoo kvandid ühest isolaatorist teise üle ülijuhtiva kihi. Selle paralleeli puhul asendatakse tunnelsiirdes elektronide kvant-tunnelleerimine koherentse faasi „lõhega“. See on kvantmuutuja, millel on ülijuhtivates vooluringides kaksikroll elektrilaengu suhtes.
Koherentse kvant-faasi lõhena (ingl.k. coherent quantum phase slip – CQPS) tuntud fenomen on kaua olnud vaid teooria – kuid mitte enam. Teadusajakirjas Nature kirjeldavad Oleg Astafiev ja kolleegid RIKENi Arenenud Teaduse instituudist ja NECi Targa Energia uurimustöö laboratooriumidest esimest otsest CQPS vaatlust kitsas ülijuhtivas indiumoksiidist juhtmes. See juhe lisati suuremale ülijuhtivale skeemile, moodustamaks uue seadme, mida nimetatakse faasi-lõhe kvantbitiks. Selles seadmes ümbritsevad ülijuhtivat kihti kahelt poolt isolaatorkihid, milleks on tühi ruum.
Energia spektroskoopiat kasutades tekitati energialõhe. Selle olemasolu tuvastab koherentse tunnelleerimise esinemise. Pilt: RIKEN.
Kui teadlased häälestasid seda skeemi läbivat magnetvoogu ja skaneerisid samal ajal mikrolainesagedusi, avastasid nad süsteemi kahe magnetvoo seisundi energiakõverates energialõhe, nagu ennustas teooria. See lõhe on kvantmehaanika tulemus, mis hoiab ära selle, et kaks seisundit võtaksid sama energiataseme. Selle vältimiseks on osakesed sunnitud tunnelleerima üle ülijuhtiva kihi – ja läbi kvant-faasi-lõhe kitsas juhtmes. Näidates lõplikult CQPS-i esinemist, juhatab see edukas eksperiment sisse ka uudse seadmete klassi, mis kasutavad ära kvant-faasi-lõhe ainulaadset funktsionaalsust selleks, et rajada uut teed ülijuhtivas elektroonikas.
Leave a Reply