یک پژوهش جدید توسط موسسه فناوری سلطنتی KTH و دانشگاه استنفورد، درک ما از گردابه‌های کوانتومی در ابررساناها را مورد بازبینی قرار می‌دهد. تصویر، یک نمایش ترسیمی از گردابه‌های کوانتومی است. تصویر از: گِرِگ استوارت Greg Stewart ، آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC.

پژوهشگران، با بازتعریف شناخت ما از گردابه‌های کوانتومی در ابررساناها نشان داده‌اند که آنها می‌توانند بر خلاف نظریه‌های پیشین، در بردارنده شار کوانتومی کسری باشند. این دستاورد مهم که شامل دستکاری گردابه‌های کوانتومی است، کاربردهای بالقوه جدیدی را در الکترونیک و محاسبات ابررسانایی آشکار می‌کند.

در ابررساناها، گردبادهای کوچکی از الکترونها می‌تواند رخ دهد که به گردابه‌های کوانتومی معروفند و پیامدهای مهمی در کاربردهای ابررسانایی از جمله حسگرهای کوانتومی دارند. اکنون یک گروه بین‌المللی از پژوهشگران گزارش می‌دهد که نوع جدیدی از گردابه ابررسانا یافت شده است.

ایگور بابائف Egor Babaev ، پروفسور در موسسه فناوری سلطنتی KTH در استکهلم می گوید این پژوهش، بر مبنای تحقیق روی گردابه‌های کوانتومی که در جایزه نوبل 2003 به رسمیت شناخته شد، درک عمومی ما از اینکه شار الکترونی چه طور می‌تواند در ابررساناها رخ دهد را مورد بازبینی قرار می‌دهد. پژوهشگران در KTH همراه با پژوهشگرانی از دانشگاه استنفورد، موسسه TD Lee در شانگهای و AIST در دانشگاه تسوکوبا کشف کردند که شار مغناطیسی تولید شده توسط گردابه‌ها در یک ابررسانا می تواند در بازه گسترده‌تری از مقادیر نسبت به آنچه تصور میشد تقسیم شود.

این موضوع، نگرش جدیدی را در اصول بنیادی ابررسانایی ارائه می‌کند و همچنین به احتمال بالا می‌تواند در الکترونیک ابررسانایی به کار گرفته شود.

گردابه شار مغناطیسی زمانی اتفاق می افتد که یک میدان مغناطیسی خارجی بر یک ابررسانا اعمال شود. میدان مغناطیسی در ابررسانا به شکل لوله‌هایی از شار مغناطیسی کوانتیده که گردابه‌ها را شکل می‌دهند، نفوذ می‌کند. بابائف می‌گوید در ابتدا پژوهش بیان می کرد که گردابه‌های کوانتومی، هر کدام حامل یک کوانتوم از شار مغناطیسی، از میان ابررساناها عبور می‌کنند. اما امکان کسرهای دلخواه از شار مغناطیسی در نظریه‌های پیشین ابررسانایی نبودند.

با استفاده از دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا (SQUID) در دانشگاه استنفورد، همکاران نویسنده بابائف، دانشمند محقق یوسوکه ایگوچی Yusuke Iguchi و پروفسور کاترین مولر Kathryn A. Moler نشان دادند که در مقیاس میکروسکوپیک، گردابه‌های کوانتومی می‌توانند در یک تک باند الکترونی وجود داشته باشند. مولر می‌گوید گروه توانست این گردابه‌های کوانتومی کسری را ایجاد و بررسی کند.

پژوهشگران استنفورد مشاهده ابتدایی از این پدیده را به قول ایگوچی "آن قدر به طرز باور نکردنی غیر معمول" یافتند که آزمایش را 75 بار در مکانها و دماهای مختلف تکرار کردند.

این پژوهش یک پیش‌بینی را که بابائف 20 سال قبل منتشر کرد، تایید می‌نماید که مطرح می‌کرد در انواع مشخصی از بلورها، بخشی از جمعیت الکترونی یک ماده ابررسانا می‌تواند یک گرداب چرخشی ساعتگرد تشکیل دهد در حالیکه سایر الکترون‌ها می توانند به طور همزمان یک گرداب پاد ساعتگرد شکل دهند. او می‌گوید: "این گردبادهای کوانتومی ترکیبی می‌توانند حامل یک کسر دلخواه از شار کوانتومی باشند."

بابائف می‌گوید که قدرت گردابه های کوانتومی و امکان کنترل کردن آنها حکایت از آن دارد که گردابه‌های کوانتومی می‌توانند به طور بالقوه به عنوان حامل‌های اطلاعات در کامپیوترهای ابررسانا مورد استفاده قرار گیرند.

بابائف می‌گوید: " امید است دانشی که به دست می‌آوریم و روش‌های تحسین برانگیزی که توسط همکاران ما دکتر ایگوچی و پروفسور مولر در استنفورد معرفی شدند در دراز مدت بالقوه برای زمینه‌های مشخصی از محاسبات کوانتومی سودمند باشد."

Reference: “Superconducting vortices carrying a temperature-dependent fraction of the flux quantum” by Yusuke Iguchi, Ruby A. Shi, Kunihiro Kihou, Chul-Ho Lee, Mats Barkman, Andrea L. Benfenati, Vadim Grinenko, Egor Babaev and Kathryn A. Moler, 1 June 2023, Science.

منبع:

Quantum Electronic Vortices in Superconductors: Unprecedented Circulatory Phenomena Discovered