Диод — простейший элемент в электронике, подобный «дорожному клапану», который пропускает ток только в одну сторону. Такие элементы есть в каждом смартфоне и ноутбуке. Его сверхпроводящую версию – сверхэффективную и работающую без потерь энергии – создали российские ученые из МФТИ и Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН. Они не просто создали такой диод, а обнаружили у него скрытую «суперсилу», которая проявляется только в динамике. Исследование открывает путь к созданию компонентов для компьютеров следующего поколения. Результаты опубликованы в престижном международном журнале Physical Review B.
Ученые собрали микроскопическую квантовую систему (СКВИД), объединив два разных сверхпроводящих элемента. Когда они изучили ее стандартные свойства, «диодный эффект» (разная проводимость в разные стороны) был слабым. Однако всё изменилось, когда систему «встряхнули» микроволновым излучением.
Оказалось, что в этом динамическом режиме диодный эффект проявился в десятки раз сильнее. По словам разработчиков, это можно сравнить с дверью, которую руками толкаешь с одинаковым усилием в обе стороны, но, если на нее подует сильный ветер, она легко и быстро распахнется только в одном направлении. Ученые обнаружили эту «невидимую» асимметрию на так называемых «ступеньках Шапиро» — особенностях в поведении системы под излучением.
«Мы показали, что истинный потенциал квантовых систем раскрывается не в статике, а в динамике, — поясняет первый автор исследования, аспирант МФТИ Дмитрий Калашников. — Это как обнаружить, что у машины есть скрытая функция гоночного закисания азота, которая включается только на трассе. Наша работа — это шаг к созданию энергоэффективных квантовых устройств, работающих на их максимальных возможностях».
В отличие от традиционных полупроводниковых диодов, сверхпроводящие аналоги позволяют минимизировать потери энергии. Инновационный СКВИД научная группа составила из двух принципиально разных элементов: джозефсоновского перехода с синусоидальной характеристикой и наномостика из ниобия со сложной многозначной характеристикой.
«Это открытие стало возможным благодаря уникальной гибридной структуре, которую мы создали, — добавляет Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ. — Мы соединили два разных сверхпроводящих элемента, и их взаимодействие породило этот мощный эффект. Это не просто наблюдение, а проектирование новых квантовых явлений».
Результаты исследования открывают путь создания более стабильных квантовых компьютеров. Квантовые вычисления — главная технологическая гонка современности. Их главная проблема — хрупкость квантовых состояний, которые легко разрушаются из-за внешних шумов. Сверхпроводящие диоды, работающие в открытом учеными динамическом режиме, могут стать надежными «защитными экранами» для кубитов (квантовых битов), оградив их от помех и значительно повысив стабильность вычислений.
Другой сферой применения станет сверхбыстрая и энергоэффективная электроника. Традиционная электроника теряет огромное количество энергии на тепло. Сверхпроводящие схемы, использующие этот эффект, смогут передавать и обрабатывать сигналы без потерь. Это критически важно для центров обработки данных, телекоммуникационного оборудования и высокоточных научных приборов, сократив их энергопотребление и увеличив быстродействие.
Наконец, результаты исследования могут быть использованы в создании новейших типов сенсоров. Высокая чувствительность системы к микроволновому излучению в определенных условиях открывает путь к созданию сверхточных датчиков для медицины (например, для магнитоэнцефалографии, отслеживающей активность мозга) и систем безопасности.
Работа была выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
