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Introduzione

I fisici del Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), con a capo il ricercatore senior Vasily Stolyarov, hanno imparato a controllare localmente i vortici Josephson. La scoperta può essere utilizzata per dispositivi di elettronica quantistica e futuri processori quantistici. Il lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista scientifica Nature Communications.

Vortice Josephson

Un vortice di Josephson è un vortice di correnti che si verificano in un sistema di due superconduttori separati da un collegamento debole – un dielettrico, un metallo normale, ecc. – in presenza di un campo magnetico esterno. Nel 1962, Brian Josephson predisse il flusso di una supercorrente attraverso un sottile strato di materiale isolante che separava due pezzi di materiale superconduttore. 

Questa corrente fu chiamata corrente di Josephson e l’accoppiamento dei superconduttori fu soprannominata giunzione di Josephson. Si verifica un cosiddetto legame debole tra i due superconduttori attraverso un metallo dielettrico o non superconduttore e si sviluppa la coerenza quantistica su scala macroscopica.

Quando questo sistema viene posizionato in un campo magnetico, i superconduttori spingono il campo magnetico fuori. Maggiore è il campo magnetico applicato, più la superconduttività resiste al campo magnetico che penetra nel sistema Josephson. Tuttavia, tale campo può penetrare, nella parte in cui il collegamento è debole, sotto forma di singoli vortici Josephson che trasportano quanti di flusso magnetico. I vortici di Josephson sono spesso visti come veri e propri oggetti topologici, 2 singolarità in fase Pi che sono difficili da osservare e manipolare.

La nuova ricerca

I ricercatori del MIPT Laboratory of Topological Quantum Phenomena in Superconducting Systems hanno applicato un microscopio a forza magnetica per studiare i vortici di Josephson in un sistema di due contatti superconduttori di niobio intrecciati con uno strato di rame che funge da collegamento debole.

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Setup sperimentale. Il blu e l’arancione indicano rispettivamente niobio e rame. L’ellisse segna l’area della giunzione Josephson. La punta rivestita in cromo cobalto oscilla, eccitata da un elemento piezoelettrico (dithering). La fibra ottica viene utilizzata per leggere le oscillazioni. Credito: Viacheslav Dremov et al./Nature Communications.

Abbiamo dimostrato che nei contatti a struttura piatta superconduttori-normali superconduttori-metallico, i vortici Josephson hanno un’impronta unica“, ha detto l’autore senior del documento, Vasily Stolyarov del MIPT. “Abbiamo trovato questo osservando queste strutture con un microscopio a forza magnetica. Sulla base di questa scoperta, abbiamo dimostrato la possibilità di generare localmente vortici Josephson, che possono essere manipolati da un’asse magnetico di un microscopio. La nostra ricerca è ancora un altro passo verso la creazione di future macchine di calcolo quantistico superconduttive“.

La Sfida

La varietà di dispositivi, qubit e architetture superconduttrici ultrasensibili per il calcolo quantistico, sta crescendo rapidamente. Si prevede che i dispositivi elettronici quantistici superconduttori sfideranno molto presto i dispositivi a semiconduttore convenzionali. Questi nuovi dispositivi si baseranno su giunzioni Josephson come quella indicata dalla freccia gialla a forma ellittica di cui alla figura 1.

“È abbastanza difficile visualizzare i vortici di Josephson, poiché sono scarsamente localizzati“, ha aggiunto Stolyarov. “Abbiamo scoperto un modo per misurare la dissipazione che si verifica durante la creazione e la distruzione di un tale vortice nell’area del collegamento debole. La dissipazione è un rilascio minore di energia. Nel nostro caso, l’energia viene rilasciata quando un vortice si muove in un contatto Josephson planare. Quindi, usando il nostro microscopio a forza magnetica, possiamo rilevare con successo non solo il ritratto magnetico statico della struttura superconduttiva ma anche i suoi processi dinamici “.

Credito: Viacheslav Dremov et al./Nature Communications.

Gli autori dell’articolo hanno dimostrato un metodo per la generazione, il rilevamento e la manipolazione remota di vortici Josephson in giunzioni Josephson planari usando un microscopio a forza magnetica a bassa temperatura. Con alcuni parametri (posizione della sonda, temperatura, campo magnetico esterno, flusso di corrente elettrica attraverso il campione), il team ha osservato una risposta particolare del microscopio con l’asse magentica. Questo è stato seguito dalla comparsa di anelli / archi nitidi nelle immagini. I ricercatori hanno identificato queste caratteristiche come punti di biforcazione tra gli stati Josephson adiacenti caratterizzati da un numero o posizione diverse di vortici Josephson all’interno della giunzione.

La prospettiva futura

Si prevede che i risultati della ricerca serviranno da impulso e da base per lo sviluppo di nuovi metodi di diagnostica e gestione locale senza contatto dei moderni dispositivi superconduttori e dell’elettronica quantistica superconduttiva.

Approfondimenti

Viacheslav V. Dremov et al, Local Josephson vortex generation and manipulation with a Magnetic Force Microscope, Nature Communications (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-11924-0