Редкий класс материалов, известный как «триплетные сверхпроводники», может изменить будущее вычислительной техники. Благодаря возможности передавать без потерь как электрический заряд, так и спин электронов, эти материалы могут решить ключевые проблемы со стабильностью в квантовых технологиях. Фото: Shutterstock
NbRe может стать долгожданным тройным сверхпроводником, обеспечивающим спиновый транспорт с нулевым сопротивлением и открывающим новые возможности для квантовых вычислений.
Физики десятилетиями искали материалы, известные как триплетные сверхпроводники, поскольку они потенциально могут стать основой для чрезвычайно энергоэффективных технологий. Эти материалы считаются одним из важнейших недостающих элементов в современной физике твердого тела.
«Тройной сверхпроводник — мечта многих физиков, работающих в области физики
твердого тела», — сказал профессор Джейкоб Линдер.
Линдер работает на факультете физики Норвежского университета науки и технологии (NTNU), где он возглавляет QuSpin — исследовательский центр, объединяющий ведущих университетских специалистов в области квантовых материалов.
«Материалы, являющиеся триплетными сверхпроводниками, — это своего рода «Святой Грааль» в квантовых технологиях и, в частности, в квантовых вычислениях», — пояснил Линдер.
Глобальная охота за прорывом в области квантовых материалов
Исследователи по всему миру пытаются найти явные доказательства существования такого материала. Линдер и его коллеги считают, что они уже близки к цели.
«Мы думаем, что, возможно, обнаружили триплетный сверхпроводник», — сказал
профессор Линдер.
Линдер изучает квантовые материалы и исследует возможности их применения в спинтронике и других областях квантовых технологий.
Спинтроника основана на таком свойстве электронов, как спин. В отличие от традиционной электроники, где для передачи информации используется электрический заряд, спинтроника использует спин для передачи сигналов новыми способами. Спин также
играет ключевую роль в квантовых технологиях, особенно в сочетании со сверхпроводниками. Однако современные системы часто страдают от нестабильности.
«Одна из главных проблем современных квантовых технологий — найти способ выполнять компьютерные операции с достаточной точностью», — объясняет Линдер.
Триплетные сверхпроводники могут помочь решить эту проблему.
В соавторстве с исследователями-экспериментаторами из Италии Линдер написал статью, опубликованную в Physical Review Letters. Статья была выбрана в качестве одной из рекомендованных редактором, что подчеркивает ее значимость.
От синглетного к триплетному: почему спин меняет все
«Триплетные сверхпроводники делают возможным ряд необычных физических явлений.
Эти явления находят важное применение в квантовых технологиях и спинтронике», — говорит Линдер.
Стандартные сверхпроводники могут проводить электричество (электроны) без измеримого сопротивления, что делает их очень полезными. Однако у них есть свои ограничения.
Большинство известных сверхпроводников относятся к «синглетным сверхпроводникам», то есть парные частицы, отвечающие за сверхпроводимость, не обладают спином.
В отличие от них, в триплетных сверхпроводниках парные частицы обладают спином.
Спиновые токи с нулевым сопротивлением: что позволяет реализовать триплетная сверхпроводимость
Так в чем же разница?
«Тот факт, что у триплетных сверхпроводников есть спин, имеет важное значение. Теперь мы можем передавать не только электрические, но и спиновые токи с абсолютно нулевым сопротивлением», — объяснил Линдер.
Сверхпроводник между двумя ферромагнетиками
Если поместить сверхпроводник (S) между двумя ферромагнетиками (F), намагниченность (большие черные стрелки) повлияет на сверхпроводимость. На триплетный сверхпроводник намагниченность влияет иначе, чем на обычный сверхпроводник. Источник: QuSpin/NTNU
С практической точки зрения это может позволить создавать сверхбыстрые компьютеры, потребляющие при этом минимум электроэнергии.
Если существование настоящего триплетного сверхпроводника подтвердится, это откроет возможности для передачи информации с помощью спина без потери энергии.
Сплав ниобия и рения признан перспективным кандидатом
«В нашей опубликованной статье мы демонстрируем, что материал NbRe обладает свойствами, соответствующими триплетной сверхпроводимости», — сказал Линдер.
NbRe — это сплав ниобия и рения, оба металла являются редкими.
«Пока еще рано делать однозначный вывод о том, является ли этот материал триплетным сверхпроводником. Помимо прочего, результаты должны быть подтверждены другими экспериментальными группами. Также необходимо провести дополнительные
исследования триплетной сверхпроводимости», — пояснил Линдер.
Необычное поведение и надежда на подтверждение
Несмотря на необходимость дополнительного подтверждения, он настроен оптимистично.
«Наше экспериментальное исследование показывает, что материал ведет себя совершенно не так, как мы ожидали бы от обычного синглетного сверхпроводника», — добавил Линдер.
Он также указал на еще одно преимущество.
«Еще одно преимущество этого материала в том, что он становится сверхпроводником при относительно высокой температуре», — сказал Линдер, отметив, что его
определение «высокой температуры» отличается от общепринятого.
В данном случае под «высокой температурой» подразумевается 7 кельвинов (К), что чуть выше абсолютного нуля и составляет -273,15 градуса по Цельсию. Хотя это все равно очень холодно, это значительно теплее, чем у многих других тройных сверхпроводников, для которых требуется температура около 1 К. Для сравнения: 7 К гораздо проще получить в лабораторных условиях.
В совокупности полученные результаты позволяют предположить, что команда NTNU может быть на пороге важного прорыва.
Источник: SciTechDaily
