นักวิจัยสร้างตัวนำยิ่งยวดที่เสถียรซึ่งเสริมด้วยแม่เหล็ก

เค้าโครงอุปกรณ์และแผนผังของการมอดูเลตเชิงพื้นที่ของ Re (Ψ (r)) a แผนผังของ JJ ที่สัมผัสด้านข้างโดยมีหลุมควอนตัมระบุด้วยสีแดง b ภาพกล้องจุลทรรศน์โนมาร์สกี้ของเจเจคนหนึ่งที่ถูกสอบสวน c แผนผังของ Re(Ψ(r)) ที่มีพลังงาน Zeeman เพิ่มขึ้น สำหรับสนามศูนย์ รอยต่อ 0 และรอยต่อ π โทนสีน้ำเงินเข้มบ่งบอกถึงค่าบวกมากขึ้น และสีแดงเข้มจะเป็นลบมากขึ้น และสีขาวจะทำเครื่องหมายจุดตัดศูนย์ เครดิต: *ฟิสิกส์ธรรมชาติ* (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02477-1

ตัวนำยิ่งยวดใกล้เคียงเสถียรเสริมด้วยแม่เหล็ก — เค้าโครงอุปกรณ์และแผนผังของการมอดูเลตเชิงพื้นที่ของ Re (Ψ (r)) a แผนผังของ JJ ที่สัมผัสด้านข้างโดยมีหลุมควอนตัมระบุด้วยสีแดง b ภาพกล้องจุลทรรศน์โนมาร์สกี้ของเจเจคนหนึ่งที่ถูกสอบสวน c แผนผังของ Re(Ψ(r)) ที่มีพลังงาน Zeeman เพิ่มขึ้น สำหรับสนามศูนย์ รอยต่อ 0 และรอยต่อ π โทนสีน้ำเงินเข้มบ่งบอกถึงค่าบวกมากขึ้น และสีแดงเข้มจะเป็นลบมากขึ้น และสีขาวจะทำเครื่องหมายจุดตัดศูนย์ เครดิต: *ฟิสิกส์ธรรมชาติ* (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02477-1

ทีมงานนานาชาติรวมทั้งนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Würzburg ประสบความสำเร็จในการสร้างสถานะตัวนำยิ่งยวดแบบพิเศษ การค้นพบนี้อาจทำให้การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัมก้าวหน้าได้ ผลลัพธ์จะถูกเผยแพร่ใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ.

ตัวนำยิ่งยวดเป็นวัสดุที่สามารถนำไฟฟ้าได้โดยไม่ต้องมีความต้านทานไฟฟ้า ทำให้เป็นวัสดุฐานในอุดมคติสำหรับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในเครื่อง MRI รถไฟลอยด้วยแม่เหล็ก และแม้แต่เครื่องเร่งอนุภาค อย่างไรก็ตาม ตัวนำยิ่งยวดแบบธรรมดาจะถูกรบกวนได้ง่ายจากแม่เหล็ก ขณะนี้กลุ่มนักวิจัยนานาชาติประสบความสำเร็จในการสร้างอุปกรณ์ไฮบริดซึ่งประกอบด้วยตัวนำยิ่งยวดที่มีความเสถียรซึ่งเสริมด้วยแม่เหล็กและสามารถควบคุมฟังก์ชันได้โดยเฉพาะ

พวกเขารวมตัวนำยิ่งยวดเข้ากับสิ่งพิเศษ สารกึ่งตัวนำ วัสดุที่เรียกว่าฉนวนทอพอโลยี “ฉนวนทอพอโลยีเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าบนพื้นผิวแต่ไม่ได้นำไฟฟ้าภายใน นี่เป็นเพราะโครงสร้างทอพอโลยีที่เป็นเอกลักษณ์ กล่าวคือ การจัดเรียงอิเล็กตรอนแบบพิเศษ” ศาสตราจารย์ชาร์ลส์ กูลด์ นักฟิสิกส์จากสถาบันฉนวนทอพอโลยีแห่งมหาวิทยาลัยเวิร์ซบูร์ก (JMU) อธิบาย "สิ่งที่น่าตื่นเต้นก็คือเราสามารถติดตั้งอะตอมแม่เหล็กให้กับฉนวนทอพอโลยีเพื่อให้สามารถควบคุมได้ด้วยแม่เหล็ก"

ตัวนำยิ่งยวดและฉนวนทอพอโลยีถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่าจุดเชื่อมต่อโจเซฟสัน ซึ่งเป็นการเชื่อมต่อระหว่างตัวนำยิ่งยวดสองตัวที่แยกจากกันด้วยชั้นบาง ๆ ของวัสดุที่ไม่ใช่ตัวนำยิ่งยวด "สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถรวมคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดและเซมิคอนดักเตอร์ได้" Gould กล่าว

“ดังนั้นเราจึงรวมข้อดีของตัวนำยิ่งยวดเข้ากับความสามารถในการควบคุมของฉนวนทอพอโลยี การใช้สนามแม่เหล็กภายนอกทำให้เราสามารถควบคุมคุณสมบัติของตัวนำยิ่งยวดได้อย่างแม่นยำ นี่เป็นความก้าวหน้าอย่างแท้จริงในฟิสิกส์ควอนตัม”

ตัวยึดตัวอย่างสำหรับการวัดที่มิลลิเคลวิน (-273 °C) เครดิต: มันดัล/JMU

ตัวนำยิ่งยวดมาพบกับแม่เหล็ก

การผสมผสานพิเศษนี้ทำให้เกิดสภาวะที่แปลกใหม่ซึ่งมีการนำตัวนำยิ่งยวดและแม่เหล็กมารวมกัน โดยปกติแล้วสิ่งเหล่านี้จะเป็นปรากฏการณ์ที่ตรงกันข้ามซึ่งแทบจะไม่อยู่ร่วมกัน สิ่งนี้เรียกว่าสถานะ Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov (p-FFLO) ที่เกิดจากความใกล้ชิด

"ตัวนำยิ่งยวดที่มีฟังก์ชันควบคุม" ใหม่อาจมีความสำคัญสำหรับการใช้งานจริง เช่น การพัฒนาคอมพิวเตอร์ควอนตัม ต่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไป คอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่ได้ขึ้นอยู่กับบิต แต่ใช้บิตควอนตัม (qubits) ซึ่งสามารถสันนิษฐานได้ไม่ใช่แค่สองสถานะ แต่หลายสถานะพร้อมกัน

“ปัญหาคือบิตควอนตัมในปัจจุบันไม่เสถียรมากเนื่องจากมีความไวต่ออิทธิพลภายนอก เช่น สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก” Gould กล่าว “การค้นพบของเราสามารถช่วยรักษาเสถียรภาพของควอนตัมบิตเพื่อให้สามารถนำไปใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้ในอนาคต”