Рисунок. Вольт-амперные характеристики под действием СВЧ-излучения. На верхних графиках видны ступеньки по постоянному току при IDC = 2e f n, протекающему через проволочку. На нижнем цветном графике дифференциальной проводимости положение ступенек проявляется в виде светлых горизонтальных линий при целочисленных n. Источник: Олег Астафьев/Сколтех
Экспериментальное открытие фундаментального физического явления — событие редкое. Однако физикам из Сколковского института науки и технологий вместе с коллегами из европейских научных организаций удалось экспериментально продемонстрировать одно из таких явлений — нестационарный эффект проскальзывания фазы. Оно обещает стать столь же перспективным, как и джозефсоновский эффект, благодаря которому мы имеем эталон напряжения и сверхчувствительные детекторы магнитного поля. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Этот эффект проявляется в виде образования ступенек электрического тока, протекающего через сверхпроводниковые нанопроволочки под действием СВЧ-излучения. Нанопроволочка из сверхпроводника играет роль туннельного барьера для квантов магнитного потока точно так же, как джозефсоновский переход — тонкая прослойка изолятора между двумя сверхпроводниками — служит туннельным барьером для электрических зарядов.
Справка: джозефсоновские переходы предсказаны в 1962 году британским физиком Брайаном Джозефсоном, отсюда и название. За эту работу Джозефсон получил в 1973 году Нобелевскую премию.
С точки зрения классической физики такой переход не отличается от полного разрыва цепи, однако квантовомеханический туннельный эффект позволяет току протекать через такие зазоры без всякого сопротивления. Аналогично магнитный поток не может «перескочить» через проволочку в классической физике (сверхпроводник экранирует магнитное поле), но может «протуннелировать» через неё благодаря законам квантовой механики.
Применение нестационарного эффекта проскальзывания фазы обещает стать таким же перспективным, как и джозефсоновский эффект. На основе джозефсоновских контактов делают сверхчувствительные детекторы магнитного поля, например, для исследования очень слабых магнитных полей головного мозга. Другое практическое применение этих контактов опирается на тот факт, что протекающий через них ток может меняться не плавно, а образовывать ступеньки по напряжению, если контакт облучать СВЧ-излучением.
На основе последнего эффекта, называемого ступеньками Шапиро, базируется квантовая метрология: эталон вольта сегодня определяют не при помощи какой-нибудь химической батареи из палаты мер и весов, а при помощи приборов на джозефсоновских контактах. А на основе эффекта нестационарного когерентного проскальзывания фазы можно будет сделать и квантовый стандарт ампера. «Это позволяет достичь беспрецедентной точности, поскольку размер каждой ступеньки в обоих эффектах обусловлен фундаментальными законами природы: он в принципе не зависит ни от материала, ни от внешних условий: главное — наличие сверхпроводимости», — прокомментировал значение открытия Олег Астафьев, руководитель исследования.
Международная группа во главе с профессором Сколтеха и руководителем Лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ Олегом Астафьевым, опубликовала в журнале Nature статью, в которой описала один из немногих остававшихся нереализованными эффектов фундаментальной физики, до сих пор пребывавший в статусе «предсказан теоретически» — нестационарный эффект проскальзывания фазы, который проявляется в виде обратных ступенек Шапиро в сверхпроводниковых нанопроволочках: в вольт-амперных характеристиках образуются ступеньки по току при изменении напряжения в отличие от ступенек по напряжению в давно известном эффекте Шапиро на джозефсоновских переходах.
И хотя советские физики Константин Лихарев, Александр Зорин и Дмитрий Аверин из МГУ предсказали появление таких ступенек ещё в 1990 году, их долго не удавалось впрямую наблюдать на практике. Международная группа учёных под руководством Олега Астафьева использовала в своей работе новый подход. Ключом к успеху оказался правильно подобранный материал для нанопроволочки — тонкие плёнки нитрида ниобия — а также специальная и необычная электрическая схема: рядом с нанопроволочкой изготовили компактные индуктивные элементы микронных размеров из того же материала.
Наблюдение «обратных ступенек Шапиро» не просто подтверждает существование этого фундаментального физического явления. Оно ещё и открывает путь к созданию новых типов приборов, а это востребовано как в фундаментальных научных исследованиях, так и при создании новых устройств, в частности метрологических стандартов тока.