Badania pod kierunkiem prof. Macieja Zgirskiego z grupy CoolPhon w warszawskim Instytucie Fizyki PAN ukazały się w "Science Advances".

KIEDY NADPRZEWODNIK STAJE SIĘ OPORNY

W temperaturach bliskich zeru absolutnemu w bardzo małych obiektach dzieją się rzeczy, o których nie śniło się filozofom. I tak np. niektóre materiały stają się nadprzewodnikami - prąd może przepływać przez nie bez żadnych oporów. Niektóre nadprzewodniki są wrażliwe na obecność pola magnetycznego (niczym Superman na obecność kryptonitu).

Do takich materiałów należy choćby aluminium - jeśli wyziębi się je do ok. 1 kelwina, nabiera ono "supermocy" i staje się nadprzewodnikiem. Jeśli jednak do nadprzewodnika tego przykładać będziemy coraz silniejsze pole magnetyczne, materiał w którymś momencie straci swoje niespotykane własności i znów stanie się zwykłym metalem.

Opis rysunku: Góra: Schemat badanej nanostruktury składającej się z kwadratowej nanopułapki na wir oraz ultraszybkiego termometru. Na wir wywierana jest siła Lorentza FL przez przyłożony prąd IL w obecności prostopadłego pola magnetycznego B. Dół: Proces stygnięcia nanopułapki zmierzony w naszym eksperymencie bezpośrednio po wypchnięciu z niej pojedynczego wiru

Ciekawe rzeczy dzieją się jednak zanim ta zmiana całkiem nastąpi. Jeśli pole magnetyczne jest odpowiednio dobrane, nadprzewodnik zaczyna "bronić się" przed utratą swoich "supermocy". Pojawiają się w nim tzw. prądy ekranujące pole magnetyczne, a potem materiał - jeśli jest dostatecznie cienki - wpuszcza do swojego wnętrza maleńki kwantowy wir prądu, nanotornado.

"Taki vortex to niepodzielny kwantowy obiekt, tak jak elektron, foton czy fonon. Jest chroniony topologicznie" - zwraca uwagę dr Foltyn.

W tym maleńkim tornadzie pary związanych elektronów (tzw. pary Coopera) wirują wokół rdzenia o średnicy ok. 150 nm. Taki vortex - jako przeszkoda - wprawdzie psuje właściwości nadprzewodnika, ale sam ruch wirowy odbywa się bez strat energii - tak, jak to tylko w nadprzewodnikach możliwe. Więc jeśli warunki się już dalej nie zmienią, elektrony w takim tornadzie mogą kręcić się w nieskończoność. To stabilny, niepodzielny kwantowy byt.

Kwantowe wiry były dotychczas raczej szwarccharakterami w branży nadprzewodników.

"Ruch tych vortexów potrafi kompletnie zepsuć działanie urządzeń nadprzewodzących, takich jak cewki do rezonansu magnetycznego, detektorów promieniowania czy bezoporowych linii transmisyjnych" - tłumaczy doktorant Konrad Norowski z IF PAN.

Dr Marek Foltyn mówi, że wir może rzeczywiście nieźle w nadprzewodniku nabroić, jeśli jest niekontrolowany. Jeśli jednak uda się go ujarzmić, może stać się zupełnie nowym pozytywnym superbohaterem.

I właśnie naukowcy pokazali sposób na kontrolowanie vorteksów. Opracowali pułapkę, w którą łapią się wiry, a także zademonstrowali sposób ich uwalniania z tego nanowięzienia.

Nadprzewodząca pułapka na wiry polskiego pomysłu to umieszczone między dwoma kabelkami kwadratowe aluminiowe "nanopudełko". W pudełku tym - jak pokazali naukowcy z IF PAN - można za pomocą odpowiedniego dobranego impulsu prądu umieszczać wiry - zmieści się ich tam kilka, a potem wypychać je – również za pomocą sygnału prądowego.

"W świetle naszych wyników pewne teorie w opisie nadprzewodników - szczególnie pewien model opisujący, co się dzieje, kiedy nadprzewodnik przełącza się do stanu oporowego - będą nie do utrzymania" - mówi dr Foltyn.

WIRUJĄCA PAMIĘĆ

Badania mają też jednak znaczenie praktyczne. Taka pułapka na wiry mogłaby służyć jako komórka pamięci w komputerach kwantowych. Obecność wiru w pułapce oznaczałaby stan 1, brak wiru - stan 0.

Komputery kwantowe potrzebują nie tylko kubitów, w których procesowane będą informacje, ale również komórek pamięci, gdzie informacje będą zapisywane na dłużej i przechowywane do późniejszej obróbki.

Zdaniem polskich badaczy wiry dobrze by się w komputerach kwantowych spisały, bo są stabilne, powstają w warunkach nieźle współgrających z obecnymi technologiami stosowanymi w tej branży - w urządzeniach z nadprzewodzącego aluminium i w podobnie ultrazimnych temperaturach.

Dr Foltyn opowiada, że wirami zajmowało się bardzo wielu naukowców, w tym noblista Andre Geim, który potem przerzucił się na grafen. Problemem było to, że nikomu wcześniej nie udało się tych wirów z taką dokładnością kontrolować. "A my to zrobiliśmy. I chcemy pokazać dobrą stronę wiru" - komentuje dr Foltyn.

POLSKI SUPERSENSOR - NAJSZYBSZY TERMOMETR ŚWIATA

Polskim fizykom udało się poznać tajniki zachowania wirów, bo opracowali wcześniej najszybszy termometr świata. Potrafi on mierzyć w nadprzewodnikach temperaturę z oszałamiającą rozdzielczością czasową: 1 nanosekundy (sekunda to miliard nanosekund). A pomiar ten odbywa się z dokładnością do około 100 mikrokelwinów (czyli z dziesięciotysięczną częścią stopnia C)."Zastanawialiśmy się, czy nie zgłosić naszego rozwiązania do Księgi Rekordów Guinnessa" - uśmiecha się dr Foltyn.

Są tu pewne haczyki: pomiar dotyczy nie pojedynczej sytuacji pomiaru temperatury, ale jest opisem tego, co dzieje się bardzo wiele razy w powtarzalnych procesach. Eksperymenty przeprowadza się bowiem w warunkach kriogenicznych tysiące razy na sekundę, z których wyznacza się prawdopodobieństwo przełączenia termometru do stanu oporowego odpowiadającego stanowi danej sytuacji - np. pułapki z wirem lub bez niego. Dzięki temu prawdopodobieństwu, zależnemu od temperatury, można wydobyć niezwykle szczegółowe informacje o procesach termodynamicznych, które zachodzą w nanomateriałach ekstremalnie szybko.

Badania zespołu prof. Zgirskiego kładą podwaliny pod nową gałąź fizyki - nanotermometrię przełączeniową z wykorzystaniem nadprzewodnictwa.

Badacze dodają, że ich nanourządzenie - w zależności od tego, jak się je wykorzysta - może też służyć jako generator liczb losowych, kalorymetr, bolometr, czujnik pola magnetycznego. "Dzięki temu urządzeniu dowiedzieliśmy się, ile energii jest uwalnianej przy wyrzucaniu pojedynczego vorteksa z nanostruktury. Okazało się, że zmierzona energia odpowiada energii pojedynczego kwantu światła widzialnego" - podsumowuje Konrad Norowski. A, jak zapewnia, nie jest to jeszcze limit pomiarów - urządzenie może mierzyć fotony o energii tysiąc razy mniejszej niż światło widzialne.

Badania będą prowadzone w ramach Międzynarodowego Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprzewodnictwa z Materią Topologiczną MagTop. FNP przyznała Centrum MagTop blisko 30 mln zł.

Zespół prof. Zgirskiego poszukuje teraz doktorantów i postdoców, by rozwijać projekt.

"Chcemy te badania prowadzić w Polsce. Chcemy, żeby oryginalne i ambitne pomysły powstawały w naszym kraju i tu były realizowane" - mówi dr Foltyn. (PAP)

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala