物理学家发现了一种与局部安德烈夫量子能级之间的隧穿相关的超导临界电流的新型共振振荡。它们是在基于拓扑绝缘体的单纳米晶体制成的约瑟夫森结中发现的。事实证明，纳米晶体不仅在研究介观量子系统中的基本物理过程方面很有前景，而且总体上也有利于量子技术的发展。
这项工作的结果发表在高度评价的国际科学期刊 Advanced Quantum Technologies 上。基于拓扑绝缘体的介观器件是真正的科学克朗代克，科学家们正在寻找并且仍在寻找许多新的基础和应用效应。正如您已经从名称中所理解的那样，这种类型的材料通常被称为绝缘体，或者其他 - 不让电流通过自身的电介质或半导体。但有一个非常重要的例外：在其最薄的表层中，这种材料像金属一样传导电流。
粗略地说，可以将拓扑绝缘体想象成两面都覆盖着铜的树的碎片。但是，在这种情况下，我们不是在谈论两种物质，而是在谈论相同材料的均质样品。此外，这种材料是一种表面层中电子的特殊量子态使它们不仅是电流载流子，而且是“拓扑保护”的载流子。
这种特性是由于电子的这些量子态非常稳定——与金属中的普通电子态不同，它们在与材料的原子缺陷、台阶或其他缺陷相互作用时更加稳定。
莫斯科物理与技术研究所的科学家们在研究团队基于拓扑绝缘体纳米晶体创建的新型约瑟夫森装置中发现了一种新型的超导临界电流共振振荡。
Vasily Stolyarov，MIPT 高级中物理和纳米技术方法研究中心主任
“我们发现了约瑟夫森结的临界电流的一种新型振荡，它由两个超导铌电极组成，在这两个电极之间放置了一个六方 Bi2Te2.3Se0.7 拓扑绝缘体纳米晶体。振荡出现在 400 到 20 mK (–272.7 °C) 的温度范围内，并且具有非常不寻常的尖头形状。
这些振荡的周期只有 1 奥斯特，对应的能量尺度极小，约为 1 μeV。我们发现观察到的效应可能是由于在超导体/拓扑绝缘体边界附近形成的能级之间的安德列夫准粒子的共振隧穿，”研究负责人、中物理和纳米技术高级方法中心主任瓦西里·斯托利亚罗夫说。 MIPT。
实验在 BlueFors LD250 稀释冰箱上进行。为了进行此类精密研究，使用了由其中一位合著者开发的用于过滤电子和热噪声的方法。
根据开发人员的说法，振荡的峰状形状及其超短周期出现的宽温度范围是直接的实验证据，表明所研究的材料可以作为实现未来量子器件的平台。
“我想指出，我们是世界上第一个决定在拓扑绝缘体的单独纳米晶体上实施约瑟夫森设备的人，这就是结果。我认为此类设施中的设备有着美好的未来，”Vasily Stolyarov 补充道。
此类材料的电子子系统的拓扑保护可以导致此类设备对退相干源的抗性创纪录，因此与“经典”量子位中当前使用的物理原理相比，计算的准确性更高。
正如该工作的合著者所报告的，该研究的下一阶段将是改进纳米晶体合成技术、制造直接超导器件的技术以及如何有效控制准超导器件的研究。 -粒子 Andreev 级别以及如何实现基于它们的量子逻辑设备。
“我们的结果具有非常重要的基础意义，因为以前没有预测到在具有超导体/拓扑绝缘体边界的系统中存在安德列夫能级。此外，由于这种能级系统的能量规模很小，不可能考虑进行示范性电子传输实验。在这种情况下，多种情况使我们能够做到这一点，”瓦西里·斯托利亚罗夫总结道。
这项工作得到了俄罗斯科学基金会的支持。除了莫斯科物理技术学院高级方法和纳米技术中心的科学家外，他们还来自索邦大学（巴黎）超导超材料 MISiS 实验室、俄罗斯科学院微电子技术研究所的同事科学、俄罗斯科学院固体物理研究所和特温特大学（荷兰）参与了这项工作。
