«Грязная сверхпроводимость» защитит биты квантовых компьютеров

Международная группа физиков во главе с Михаилом Фейгельманом из Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау объяснила поведение «грязных» сверхпроводников при низких температурах в присутствии магнитного поля. Понимание подобных процессов позволит использовать их для создания эффективных кубитов (квантовых битов) — «кирпичиков» перспективных квантовых компьютеров. Соответствующая статья опубликована в Nature Physics. Классическая теория сверхпроводимости неплохо предсказывает, как ведут себя сверхпроводники в магнитном поле. Если поле слабое, сверхпроводник «выталкивает» его линии из своего объема (эффект Мейснера), а если оно становится сильнее определенного уровня, то его линии все же проникнут в материал, а сверхпроводящие свойства при этом мгновенно пропадут. Это так называемое критическое магнитное поле, и чем ниже температура, тем сильнее оно должно быть. Однако при очень сильном охлаждении (до 20 процентов от критической температуры наступления сверхпроводимости в материале и ниже) эта закономерность исчезает — критическое магнитное поле внезапно перестает зависеть от температуры. Однако есть класс материалов (сплавов и металлов), у которых так сильно нарушена кристаллическая решетка, что они практически аморфны, лишены внутренней упорядоченной структуры. Там сила критического магнитного поля увеличивается по мере падения температуры, и момент его «отвязки» от нее не наступает. Известно это очень давно, но причины феномена всегда оставались неясными. Авторы новой работы попытались разобраться в них. Для этого они измерили в «грязных» материалах еще один важнейший параметр сверхпроводников — критический ток, или максимальное значение незатухающего тока, который может протекать в сверхпроводнике без потерь энергии на тепловое рассеяние, то есть при сохранении картины полной сверхпроводимости. Если критический ток достигнут или превышен, вещество теряет сверхпроводящие свойства, в нем появляется электрическое сопротивление. Исследователи измерили, как критический ток в сверхпроводящей пленке из оксида индия зависит от величины приложенного к нему магнитного поля. Ученые пропускали ток через пленку, находящуюся в магнитном поле, значение которого было чуть меньше критического, и наблюдали — при каком значении тока в образце разрушается состояние сверхпроводимости. Подобные эксперименты проводились и раньше. Уникальность новой работы в том, что зависимость максимального сверхпроводящего тока от магнитного поля в «очень грязных» сверхпроводниках была измерена при магнитных полях, близких к критическим, и очень низких температурах. В результате оказалось, что критический уровень тока зависит от того, насколько сила магнитного поля близка к критическому значению. Зависимость эта оказалась степенной, причем степень равна 3/2. Кроме того, ученые определили, как критическое поле в пленке оксида индия зависит от еt температуры. «Глядя на результаты этих двух экспериментов, мы смогли понять, как они взаимосвязаны, — рассказывает Михаил Фейгельман. — Стабильное повышение критического магнитного поля при низких температурах в „очень грязных“ сверхпроводниках происходит из-за того, что в сверхпроводящем состоянии, которое реализуется в сильном магнитном поле, существуют тепловые флуктуации так называемых абрикосовских вихрей (квантовые вихри сверхтока, появляющиеся в сверхпроводниках под воздействием внешнего магнитного поля). И мы нашли способ, как описать эти флуктуации». Предсказания созданной авторами теории хорошо описывают полученные экспериментальные данные. «Очень грязные» сверхпроводники до охлаждения являются слабыми диэлектриками и при охлаждении проводят ток все хуже и хуже. Но по достижении некой критической температуры они скачкообразно превращаются в сверхпроводники. Это достаточно необычное сочетание качеств — обычно электрическое сопротивление меняется более плавно. Именно поэтому неупорядоченные сверхпроводники рассматривают как материал для изоляции от всевозможных внешних помех сверхпроводящих квантовых битов — элементной базы квантового компьютера. Удобнее всего «отключить» их от внешнего мира при помощи материалов с очень высокой индуктивностью. Чем она больше, тем слабее внешние помехи разрушают квантовую когерентность в квантовых битах. Индуктивность вещества повышается при уменьшении в нем плотности проводящих элементов — то есть, в случае сверхпроводников, — чем более они «грязные». Ранее вовлекать подобные материалы в изоляцию кубитов мешало то, что полноценного объяснения поведению грязных сверхпроводников при низких температурах не было. После выхода новой работы ситуация изменилась, и перспективы практического применения столь экзотических материалов стали заметно ближе к реальности.