Науковці відкривають нові сфери 1D-надпровідності

Дослідники з Університету Манчестера досягли значного прогресу в надпровідності, успішно підтримуючи надійну надпровідність під сильними магнітними полями в новій одновимірній (1D) системі. Цей прорив пропонує багатообіцяючий шлях до досягнення надпровідності у квантовому режимі Холла, що є давнім викликом у фізиці конденсованого середовища.

Надпровідність, здатність певних матеріалів проводити електрику з нульовим опором, містить великий потенціал для розвитку квантових технологій. Однак досягнення надпровідності у квантовому режимі Холла, що характеризується квантованою електричною провідністю, виявилося серйозним викликом.

Деталі дослідження та початкові результати

Дослідження, опубліковане в Nature, детально описує масштабну роботу манчестерської команди під керівництвом професора Андре Гейма, доктора Жюльєна Бар’єра та доктора На Сіна для досягнення надпровідності у квантовому режимі Холла. Їх початкові зусилля йшли звичайним шляхом, коли крайові стани зустрічного поширення були наведені в безпосередній близькості один від одного. Однак цей підхід виявився обмеженим.

«Наші початкові експерименти були насамперед мотивовані сильним постійним інтересом до близької надпровідності, індукованої вздовж квантових крайових станів Холла», — пояснює доктор Бар’єр, провідний автор статті. «Ця можливість призвела до численних теоретичних прогнозів щодо появи нових частинок, відомих як неабелеві аніони».

Потім команда дослідила нову стратегію, натхненну їхньою попередньою роботою, яка продемонструвала, що межі між доменами в графені можуть бути високопровідними. Розмістивши такі доменні стінки між двома надпровідниками, вони досягли бажаної кінцевої близькості між зустрічними крайовими станами, мінімізуючи вплив безладу.

«Нас заохочували спостерігати великі надструми при відносно «приємних» температурах до одного Кельвіна в кожному виготовленому нами пристрої», — згадує доктор Бар’єр.

Відкриття одномодової 1D надпровідності

Подальші дослідження показали, що надпровідність близькості походить не від квантових крайових станів Холла, що поширюються вздовж доменних стінок, а скоріше від суто одновимірних електронних станів, що існують усередині самих доменних стінок. Ці одновимірні стани, існування яких було доведено теоретичною групою професора Володимира Фалько з Національного інституту графену, продемонстрували більшу здатність гібридизуватися з надпровідністю порівняно з квантовими крайовими станами Холла. Вважається, що властива одновимірна природа внутрішніх станів є відповідальною за спостережувані надійні надструми при сильних магнітних полях.

Це відкриття одномодової одновимірної надпровідності демонструє захоплюючі можливості для подальших досліджень. «У наших пристроях електрони поширюються у двох протилежних напрямках в одному нанорозмірному просторі без розсіювання», — уточнює д-р Бар’єр. «Такі 1D-системи є винятковою рідкістю і є перспективними для вирішення широкого кола проблем у фундаментальній фізиці».

Команда вже продемонструвала здатність маніпулювати цими електронними станами за допомогою напруги затвора та спостерігати стоячі електронні хвилі, які модулювали властивості надпровідності.

«Захоплююче думати, що ця нова система може принести нам у майбутньому. Одновимірна надпровідність представляє альтернативний шлях до реалізації топологічних квазічастинок, що поєднує квантовий ефект Холла та надпровідність», – підсумовує д-р Сін. Це лише один приклад величезного потенціалу наших знахідок».

Через 20 років після появи першого двовимірного матеріалу графену це дослідження Манчестерського університету стало ще одним кроком вперед у галузі надпровідності. Очікується, що розробка цього нового 1D-надпровідника відкриє двері для прогресу у квантових технологіях і прокладе шлях для подальших досліджень нової фізики, привертаючи інтерес з боку різних наукових спільнот.