Russian Academy of Sciences

Landau Institute for Theoretical Physics

Fiziki ITF imeni Landau nashli optimal’nye parametry materialov dlya sverkhprovodyashchei elektroniki

27 December 2017

Issledovateli iz Instituta teoreticheskoi fiziki (ITF) imeni L.D. Landau obnaruzhili oblast’ parametrov, v kotoroi sverkhprovodniki iz «plokhikh» metallov rabotayut s minimal’nymi poteryami. Razrabotka prigoditsya dlya sozdaniya zashchishchennykh ot pomekh kubitov – klyuchevykh elementov kvantovogo komp’yutera. O svoei rabote avtory rasskazali na Zimnei shkole-konferentsii, prokhodivshei v ITF. Preprint raboty mozhno naiti tut.

Uchenye issledovali sverkhprovodniki, sdelannye iz «plokhikh» metallov – ikh nazyvayut neuporyadochennymi sverkhprovodnikami. V otlichie ot «khoroshikh» metallov s pochti ideal’noi kristallicheskoi reshetkoi, v takikh veshchestvakh reshetka ochen’ sil’no narushena. Chem bol’she neuporyadochennost’, tem vyshe soprotivlenie veshchestva i tem khuzhe ono provodit elektricheskii tok. Obychno pri okhlazhdenii provodyashchie svoistva metallov uluchshayutsya, to est’ ikh soprotivlenie padaet. Odnako sil’no neuporyadochennye «plokhie» metally vedut sebya netipichno: chem nizhe temperatura, tem ikh soprotivlenie bol’she. No posle dostizheniya nekoego kriticheskogo znacheniya soprotivlenie takikh «plokhikh» metallov nachinaet rezko padat’ i veshchestvo perekhodit v sverkhprovodnik.

Fiziki govoryat, chto u podobnykh sverkhprovodnikov ochen’ malen’kaya plotnost’ sverkhprovodyashchikh elementov. Eta velichina obratna induktivnosti – svoeobraznoi elektricheskoi «inertsii», kotoraya opredelyaet, naskol’ko budet silen magnitnyi potok, sozdavaemyi protekayushchim v sisteme elektricheskim tokom. Sverkhprovodniki s ochen’ bol’shoi induktivnost’yu – neobkhodimyi element sverkhprovodyashchei elektroniki. S ikh pomoshch’yu predpolagaetsya, naprimer, sozdat’ metrologicheskii standart toka – po analogii so standartom napryazheniya*. Krome togo, takie elementy prigodyatsya v konstruirovanii zashchishchennykh ot vsevozmozhnykh shumov kubitov – klyuchevykh elementov kvantovogo komp’yutera. Chtoby kvantovyi komp’yuter effektivno rabotal, vazhno, chtoby kubity ostavalis’ v sostoyanii tak nazyvaemoi kvantovoi zaputannosti. Odnako iz-za razlichnykh pomekh, kotorye neizbezhno voznikayut v ustroistve, eto sostoyanie ochen’ bystro razrushaetsya. Sverkhprovodyashchie elementy s vysokoi induktivnost’yu pomogut snizit’ veroyatnost’ togo, chto zaputannost’ budet razrushat’sya.

No chtoby ispol’zovat’ takie elementy dlya razrabotki sverkhprovodyashchei elektroniki, neobkhodimo, chtoby v sverkhprovodyashchem elemente s bol’shoi induktivnost’yu ne bylo aktivnogo soprotivleniya – to est’ poter’ energii pri protekanii toka. «Dlya etogo neobkhodimo, chtoby v sverkhprovodnike ne bylo vnutrennikh kolebanii (ostsillyatorov), kotorye mogut vozbuzhdat’sya na otnositel’no nizkikh – poryadka gigagerts – chastotakh. Eto imenno tot diapazon, kotoryi interesen dlya prakticheskogo primeneniya. Esli v sverkhprovodyashchem sostoyanii u materiala est’ takie kolebatel’nye mody, to pri prilozhenii izlucheniya v nem budut vozbuzhdat’sya kolebaniya, chto neizbezhno privedet k poteryam», – ob’yasnyaet odin iz uchastnikov issledovaniya zaveduyushchii sektorom kvantovoi mezoskopii ITF imeni L.D. Landau professor Mikhail Feigel’man.

S uvelicheniem stepeni besporyadka v sverkhprovodnike kolichestvo nizkochastotnykh ostsillyatorov, «opasnykh» poyavleniem energeticheskikh poter’, uvelichivaetsya. Feigel’man i ego kollega Lev Ioffe, sotrudnik ITF imeni L.D. Landau i rukovoditel’ Mezhdunarodnoi laboratorii fiziki kondensirovannogo sostoyaniya Vysshei shkoly ekonomiki rasschitali, do kakoi stepeni mozhno uvelichivat’ neuporyadochennost’ provodnika, chtoby dobit’sya bol’shei induktivnosti i odnovremenno ne teryat’ zametnoi doli energii na vozbuzhdennykh kolebaniyakh. «Nam udalos’ vyyasnit’, gde nado ostanovit’sya po mere uvelicheniya soprotivleniya «plokhogo» sverkhprovodnika, chtoby induktivnost’ poluchalas’ dostatochno bol’shoi, a poteri eshche ne voznikli, – rasskazyvaet Feigel’man. – Nasha rabota pokazyvaet, chto sushchestvuet fundamental’nyi predel, kotoryi ogranichivaet vozmozhnost’ poluchat’ sverkhbol’shie induktivnosti». V budushchem raschety fizikov pomogut sozdat’ obladayushchie bol’shoi induktivnost’yu materialy iz neuporyadochennykh sverkhprovodnikov dlya ispol’zovaniya v sverkhprovodyashchei elektronike.

* Standart napryazheniya sozdan na osnove dzhozefsonovskogo kontakta – dvukh sloev sverkhprovodnika, razdelennykh nanometrovym sloem izolyatora. V 1962 godu britanskii fizik Braian Dzhozefson predskazal, chto v takoi konstruktsii v izolyatore vozniknet sverkhprovodyashchii tok. On poyavlyaetsya blagodarya vozniknoveniyu kuperovskikh par elektronov, kotorye tunneliruyut skvoz’ bar’er – to est’ preodolevayut ego, nesmotrya na to, chto, po zakonam klassicheskoi mekhaniki, ikh kineticheskoi energii dlya etogo nedostatochno. Tunnelirovanie imeet kvantovuyu prirodu, i zakony kvantovoi mekhaniki razreshayut podobnye protsessy.

«Zimnyaya shkola-konferentsiya po lokalizatsii, vzaimodeistviyam i sverkhprovodimosti» prokhodila v ITF imeni L.D. Landau pri podderzhke granta Rossiiskogo Nauchnogo Fonda.

Dogovorit’sya ob interv’yu s uchenymi, kommentariyakh i zaprosit’ dopolnitel’nuyu informatsiyu mozhno po adresu: press@itp.ac.ru