Ученые создали «невозможное» промежуточное состояние между сверхпроводимостью и изоляцией

(a) Цветная растровая электронная микрофотография референсного устройства, сделанная до нанесения общего верхнего затвора. Квадратные алюминиевые островки (серые) сформированы на поверхности полупроводниковой гетероструктуры (зелено-серый) и разделены рамным затвором (желтый). (b) Схематическое поперечное сечение устройства, иллюстрирующее двухзатворную геометрию. Нижний рамный затвор настраивает центральную часть переходов, а общий верхний затвор настраивает двумерный электронный газ вокруг островков. (c) Оптическая микрофотография измеряемого устройства в виде холловского брусочка, показывающая схему измерений. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/xbm4-37cf

Исследователи из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете смогли перевести очень тонкие проводники из сверхпроводящего состояния в изолирующее, создав «невозможное» промежуточное состояние между двумя взаимоисключающими фазами.

Исследования материалов имеют решающее значение при работе с квантовыми состояниями. Материал, используемый в качестве основы для создания управляемых квантовых состояний — будь то для вычислений, сенсорики или коммуникации — во многом определяет, насколько успешно можно подавить вездесущий шум, который мешает или даже разрушает желаемые «чистые» квантовые состояния или сигналы. Это постоянная борьба.

Группе под руководством Саулюса Вайтэкенаса, доцента Института Нильса Бора, удалось создать то, что считалось невозможным — промежуточное состояние между сверхпроводником (полное отсутствие сопротивления или потери электрического соединения) и полным изолятором (полное отключение электрического сигнала).

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Коммутатор» для взаимодействия сделал неожиданное поведение возможным

Группа построила «коммутатор» с крошечными сверхпроводящими островками, оснащенными «регулятором напряжения» — чем-то вроде транзистора — который позволил им контролировать взаимодействие между этими островками. Согласно старому предсказанию, система должна была переходить из сверхпроводящего состояния (когда островки могут «общаться» друг с другом) прямо в изолирующее (когда они отключены).

Вместо этого исследователи обнаружили промежуточное состояние, в котором островки продолжают взаимодействовать друг с другом, но без сверхпроводимости. Из-за этого неожиданного поведения состояние было названо аномальным металлическим режимом.

«Наше исследование проливает больше света на это состояние, указывая, что именно квантовые флуктуации, или, если быть немного более точным, неопределенность между сверхпроводящей фазой между островками и количеством частиц на островках в нашем образце, порождает такое поведение», — говорит Вайтэкенас.

Квантовые фазовые переходы — это часть большой головоломки

Эксперимент проливает свет на давний вопрос об аномальном металле — неожиданном состоянии вещества, которое наблюдалось, когда устройства переводились из сверхпроводящего состояния (идеальный проводник) в изолирующее.

«Понимание таких квантовых фазовых переходов похоже на решение большой головоломки. Один кусочек за раз может не раскрывать всей картины, но в долгосрочной перспективе это может стать шагом к электронике, которая тратит меньше энергии, и квантовым устройствам, которые более управляемы и надежны для будущих применений», — объясняет Вайтэкенас.

В работе приняли участие Сатьяки Сасмал, Мария Эфтимиу-Цирони, Гунджан Нагда, Эмма Фугл, Лара Лива Олсен, Филип Кржижек, Чарльз М. Маркус и С. Вайтэкенас.

Больше информации: S. Sasmal et al, Voltage-Tuned Anomalous-Metal to Metal Transition in Hybrid Josephson Junction Arrays, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/xbm4-37cf. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2505.12536

Источник: University of Copenhagen

Открытие аномального металлического состояния может иметь важное значение для развития квантовых технологий. В отличие от обычных металлов, где сопротивление постепенно уменьшается с понижением температуры, в сверхпроводниках сопротивление резко падает до нуля ниже критической температуры. Обнаруженное промежуточное состояние, где сохраняется некоторая проводимость, но без сверхпроводимости, бросает вызов традиционным представлениям и может привести к созданию новых типов квантовых устройств с улучшенной управляемостью.