Wzorce czasowe mogą nam pokazać, jak zredukować hałas w urządzeniach nadprzewodzących – ScienceDaily

Nadprzewodnictwo zależy od obecności elektronów związanych ze sobą w parze Coopera. Dwa elektrony są sprzężone z powodu interakcji z metalową siecią i pokrywają się ze sobą, mimo że są oddalone od siebie o setki nanometrów. Poniżej temperatury krytycznej te pary Coopera działają jak płyn, który nie rozprasza energii, a zatem nie zapewnia żadnej odporności na prąd elektryczny.

Ale pary Coopera czasami pękają, rozpraszając się na quasicząstki — niesparowane elektrony — utrudniając działanie nadprzewodników. Naukowcy wciąż nie wiedzą, dlaczego pary Coopera pękają, ale obecność kwazicząstek powoduje hałas w technologiach opartych na nadprzewodnikach.

Nawet jeśli na każdy miliard par Coopera przypada tylko jedna cząstka, ograniczyłoby to wydajność kubitów i uniemożliwiłoby bezbłędną pracę komputera kwantowego, mówi Elsa Manila, która bada quasicząstki na Uniwersytecie Aalto. Finlandia. „Jeśli jest więcej niesparowanych cząstek, żywotność kubitów jest również krótsza” – dodaje.

długa cisza

Zrozumienie pochodzenia tych quasicząstek — innymi słowy, ustalenie, dlaczego pary Coopera pękają — byłoby krokiem w kierunku poprawy wydajności nadprzewodników i wielu technologii, które od nich zależą. Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy z Aalto zmierzyli dynamikę zerwania par Coopera w nadprzewodniku.

Ludzie zwykle mierzą średnią liczbę kwazicząstek, więc nie wiedzą, jak sekwencja wygląda w czasie. Chcieliśmy dokładnie wiedzieć, kiedy pary Coopera pękają i ile par pęka w tym samym czasie – wyjaśnia profesor Jukka Picula z Uniwersytetu Aalto.

We współpracy z naukowcami z Lund University i VTT, zespół z Aalto przeprowadził eksperyment w celu wykrycia niewielkiej liczby quasicząstek w czasie rzeczywistym. Urządzenie składa się z aluminiowego nadprzewodnika o mikronowej skali oddzielonego od zwykłego przewodnika – metalicznej miedzi – cienką warstwą izolacyjną. Kiedy pary Coopera zderzyły się z nadprzewodnikiem, kwazicząstki przebiły się przez izolację do miedzi, gdzie badacze obserwowali je za pomocą detektora ładunku.

„Wyzwanie polegało na tym, żeby tak wiele rzeczy współpracowało ze sobą” — mówi Manila. Analiza opierała się na obecności tylko niewielkiej liczby quasicząstek, co oznacza, że ​​eksperyment w obiekcie OtaNano w Aalto musi być chroniony przed promieniowaniem i turbulencjami zewnętrznymi, a także chłodzeniem niemal do zera absolutnego. Badacze musieli także wykrywać zdarzenia tunelowania w czasie rzeczywistym w rozdzielczości mikrosekundowej, co osiągnęli przy użyciu nadprzewodnikowego wzmacniacza o bardzo niskim poziomie szumów, opracowanego przez Quantum Technology Finland i VTT.

wybuchy hałasu

Naukowcy odkryli, że pary Coopera pękają w seriach, z długimi okresami ciszy przerywanymi bardzo krótkimi falami quasicząstek. „Wyłonił się obraz, że w większości panuje cisza, a czasami jedna lub więcej par Cooperów zostaje zerwanych, co skutkuje eksplozją tunelu” – mówi Manila. „Więc pojedyncze złamanie może złamać więcej niż jedną parę Cooperów na raz”.

Okresy ciszy były kilka razy dłuższe niż wybuchy. Nadprzewodnik był całkowicie wolny od quasicząstek przez kolejne sekundy, znacznie dłużej niż jest to wymagane w procesie kubitowym. „Zawsze chce się pozbyć quasicząstek” — mówi Piccola. Nasze badanie stanowi ważny krok w kierunku budowy optymalnie działających urządzeń nadprzewodzących.

Efekty w czasie

„Co powoduje, że pary Coopera pękają na Ziemi? „To jest właściwie główne pytanie”, mówi Picula. Energia potrzebna do zerwania par Coopera musi skądś pochodzić, a dynamika obserwowana przez naukowców dostarcza ważnej wskazówki.

W ciągu około 100 dni naukowcy odkryli, że w ich eksperymencie eksplozje quasicząstek stały się rzadsze. „Zależna od czasu refrakcja pary Coopera nigdy wcześniej nie była obserwowana, więc było to bardzo interesujące i zaskakujące” – mówi Manila.

Jeszcze bardziej ekscytujący wynik pojawił się, gdy zresetowali urządzenie i spróbowali ponownie. „Kiedy zacząłem eksperyment od nowa, wszystko zaczęło się od zera” — mówi Piccola. Szybkość pojawiania się kwazicząstek zależy od czasu, jaki upłynął od schłodzenia układu do najniższej temperatury.

Ta dynamika zawęża interpretację zerwania pary Coopera. Każde zewnętrzne źródło, takie jak promienie kosmiczne i inne źródła promieniowania, musi z czasem stać się mniej powszechne i zresetować się po około 100 dniach, aby dostosować się do zmian obserwowanych w eksperymencie.

„To pomija wiele lub większość sugerowanych rzeczy” — mówi Manila. Pokazaliśmy, że dzieje się coś, co ma tak duże opóźnienia i nie jest to coś, czego ludzie zwykle szukają. Teraz, gdy pojawił się pomysł, ludzie mogą spojrzeć na te skale czasowe w różnych systemach w celu wyjaśnienia.

Dla Piculi fakt, że tempo zdarzeń quasicząstek zmniejsza się w czasie, ale nie w sposób wykładniczy, jest ważną wskazówką dotyczącą źródła energii dla pęknięć par Coopera. Obawy mogą początkowo wynikać z obecności zanieczyszczeń w materiale. Te zanieczyszczenia stygną znacznie wolniej niż urządzenie – mówi. Te małe różnice w systemie mogą wyzwolić wystarczającą ilość energii, aby rozbić pary Coopera, chociaż to wciąż tylko spekulacje.

Piccola planuje kontynuować eksperymenty z dwoma lub więcej detektorami w celu określenia źródła quasicząstek. Szukając korelacji między eksplozjami quasicząstek w wielu urządzeniach, ma nadzieję uzyskać więcej wskazówek na temat tego, gdzie dokładnie zachodzą procesy, które łamią parę Coopera.

Badania przeprowadzono z wykorzystaniem ogólnodostępnej ogólnodostępnej infrastruktury badawczej OtaNano. Grupa Badawcza Aalto jest również częścią InstituteQ, fińskiego instytutu kwantowego.