Magnetyczne złącze Josephsona

Międzynarodowy zespół fizyków po raz pierwszy na świecie zaobserwował zjawisko koherentnego kwantowego poślizgu fazy (ang. coherent quantum phase slip) – zjawiska podobnego do znanego od dziesięcioleci efektu Josephsona. Jego odkrycie może mieć fundamentalne znaczenie dla lepszego zrozumienia makroskopowych układów kwantowych i być może przyczynić się do powstania komputera kwantowego.

Efekt Josephsona

W 1962 roku brytyjski fizyk Brian Josephson opracował teorię dotyczącą tunelowania elektronów przez cienką warstwę izolatora umieszczonego pomiędzy dwoma nadprzewodnikami (taką strukturę nazywa się obecnie złączem Josephsona). Teorię tą stosunkowo szybko udało się zweryfikować doświadczalnie, a sam Josephson w roku 1973 otrzymał za nią Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki. Od tamtego czasu złącze Josephsona stało się ważną technologicznie strukturą wykorzystywaną np. w urządzeniach typu SQUID (ang. superconducting quantum interference device) – jednych z najczulszych urządzeń służących do pomiaru indukcji pola magnetycznego – które w zależności od konstrukcji, używają jednego, bądź dwóch złączy Josephsona.

W 2006 roku Hans Mooji i Yuli Nazarov z Delft University w Holandii opublikowali teoretyczną pracę dotyczącą kwantowego tunelowania magnetycznego strumienia przez cienką warstwę nadprzewodnika umieszczonego pomiędzy dwoma materiałami. Efekt ten określany mianem koherentnego kwantowego poślizgu fazy, zdaniem Mooji oraz Nazarov’a, miał stanowić odpowiednik efektu Josephsona. Jednakże w okresie sześciu lat od opublikowania tejże pracy nikomu nie udało się potwierdzić eksperymentalnie występowania tego zjawiska w nadprzewodnikach.

Magnetyczny odpowiednik zjawiska Josephsona

Obecnie jednak sytuacja ta uległa nagłej zmianie, ponieważ Oleg Astafiev wraz ze współpracownikami z NEC Green Innovation Research Laboratories oraz Institute for Physical and Chemical Research w Ibaraki (Japonia) jako pierwsi na świecie dokonali obserwacji wspomnianego wyżej zjawiska. Eksperyment został przeprowadzony na kwantowo-mechanicznym układzie nazwanym kubitem Mooji-Harmans’a tj. pierścieniu wykonanym z nadprzewodnika zwężającego się w jednym punkcie do bardzo cienkiego nanodrutu. Jeżeli zjawisko kwantowego poślizgu fazy nie zachodziłoby w tej nadprzewodzącej pętli, wówczas strumień magnetyczny obecny wewnątrz pierścienia nie mógłby się z niego wydostać a zewnętrzny strumień magnetyczny nie mógłby wniknąć do środka pętli ze względu na tzw. efekt Meissnera polegający na wypychaniu linii sił pola magnetycznego na zewnątrz nadprzewodnika. Grupa Astafieva obserwowała jednak wyraźne dowody magnetycznego oddziaływania pomiędzy strumieniami magnetycznymi w pierścieniu, podczas których pierścień pozostawał cały czas w stanie nadprzewodnictwa, co potwierdziło fakt tunelowania strumienia przez obszar nanodruta.

Alexey Bezryadin z University of Illinois w Urbana-Champaign (USA), uważa, że praca ta stanowi znaczące osiągnięcie, zarówno pod względem postępu fizyki, jak również pod względem technologicznym. „Wskazałbym dwie istotne cechy tej pracy. Jedną z nich jest obserwacja koherentnego kwantowego poślizgu fazy rozszerzającej zastosowanie mechaniki kwantowej do bardziej złożonych makroskopowych układów. Drugim aspektem jest to, że skoro wiemy już, że zjawisko kwantowego poślizgu fazy rzeczywiście istnieje (a ta praca właśnie to pokazuje), interesującym byłoby skonstruowanie pewnych przydatnych urządzeń”, powiedział Bezryadin.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com