物理學家發現了一種與局部安德烈夫量子能級之間的隧穿相關的超導臨界電流的新型共振振蕩。它們是在基於拓撲絕緣體的單納米晶體製成的約瑟夫森結中發現的。事實證明，納米晶體不僅在研究介觀量子系統中的基本物理過程方面很有前景，而且總體上也有利於量子技術的發展。
這項工作的結果發表在高度評價的國際科學期刊 Advanced Quantum Technologies 上。基於拓撲絕緣體的介觀器件是真正的科學克朗代克，科學家們正在尋找並且仍在尋找許多新的基礎和應用效應。正如您已經從名稱中所理解的那樣，這種類型的材料通常被稱為絕緣體，或者其他 - 不讓電流通過自身的電介質或半導體。但有一個非常重要的例外：在其最薄的表層中，這種材料像金屬一樣傳導電流。
粗略地說，可以將拓撲絕緣體想像成兩面都覆蓋著銅的樹的碎片。但是，在這種情況下，我們不是在談論兩種物質，而是在談論相同材料的均質樣品。此外，這種材料是一種表面層中電子的特殊量子態使它們不僅是電流載流子，而且是「拓撲保護」的載流子。
這種特性是由於電子的這些量子態非常穩定——與金屬中的普通電子態不同，它們在與材料的原子缺陷、台階或其他缺陷相互作用時更加穩定。
莫斯科物理與技術研究所的科學家們在研究團隊基於拓撲絕緣體納米晶體創建的新型約瑟夫森裝置中發現了一種新型的超導臨界電流共振振蕩。
Vasily Stolyarov，MIPT 高級中物理和納米技術方法研究中心主任
「我們發現了約瑟夫森結的臨界電流的一種新型振蕩，它由兩個超導鈮電極組成，在這兩個電極之間放置了一個六方 Bi2Te2.3Se0.7 拓撲絕緣體納米晶體。振蕩出現在 400 到 20 mK (–272.7 °C) 的溫度範圍內，並且具有非常不尋常的尖頭形狀。
這些振蕩的周期只有 1 奧斯特，對應的能量尺度極小，約為 1 μeV。我們發現觀察到的效應可能是由於在超導體/拓撲絕緣體邊界附近形成的能級之間的安德列夫准粒子的共振隧穿，」研究負責人、中物理和納米技術高級方法中心主任瓦西里·斯托利亞羅夫說。 MIPT。
實驗在 BlueFors LD250 稀釋冰箱上進行。為了進行此類精密研究，使用了由其中一位合著者開發的用於過濾電子和熱雜訊的方法。
根據開發人員的說法，振蕩的峰狀形狀及其超短周期出現的寬溫度範圍是直接的實驗證據，表明所研究的材料可以作為實現未來量子器件的平台。
「我想指出，我們是世界上第一個決定在拓撲絕緣體的單獨納米晶體上實施約瑟夫森設備的人，這就是結果。我認為此類設施中的設備有著美好的未來，」Vasily Stolyarov 補充道。
此類材料的電子子系統的拓撲保護可以導致此類設備對退相干源的抗性創紀錄，因此與「經典」量子位中當前使用的物理原理相比，計算的準確性更高。
正如該工作的合著者所報告的，該研究的下一階段將是改進納米晶體合成技術、製造直接超導器件的技術以及如何有效控制准超導器件的研究。 -粒子 Andreev 級別以及如何實現基於它們的量子邏輯設備。
「我們的結果具有非常重要的基礎意義，因為以前沒有預測到在具有超導體/拓撲絕緣體邊界的系統中存在安德列夫能級。此外，由於這種能級系統的能量規模很小，不可能考慮進行示範性電子傳輸實驗。在這種情況下，多種情況使我們能夠做到這一點，」瓦西里·斯托利亞羅夫總結道。
這項工作得到了俄羅斯科學基金會的支持。除了莫斯科物理技術學院高級方法和納米技術中心的科學家外，他們還來自索邦大學（巴黎）超導超材料 MISiS 實驗室、俄羅斯科學院微電子技術研究所的同事科學、俄羅斯科學院固體物理研究所和特溫特大學（荷蘭）參與了這項工作。
