Верхний ряд: измеренное напряжение в зависимости от силы тока при микроволновом воздействии. Очевидна ступенчатая картина постоянного тока через нанопроволоку, равная n, умноженная на 2ef. Нижний график: дифференциальная проводимость (постоянное напряжение по сравнению с переменным напряжением) показывает ступенчатую структуру в виде светлых горизонтальных линий, соответствующих целым числам n. Фото: Олег Астафьев/Сколтех

Эффект когерентного квантового сдвига фазы переменного тока проявляется в виде ступенчатого рисунка электрического тока, протекающего через сверхпроводящие нанопровода, подвергающиеся воздействию микроволн. Нанопроволока служит туннельным барьером для квантов магнитного потока подобно тому, как тонкий слой изолятора между двумя сверхпроводниками, известный как джозефсоновский переход, служит туннельным барьером для электрических зарядов. (Предсказанный в 1962 году британским ученым Брайаном Джозефсоном и названный в его честь, соединение Джозефсона принесло ему Нобелевскую премию по физике 1973 года.)

С точки зрения классической физики джозефсоновский переход ничем не отличается от разрыва цепи. Однако благодаря квантово-механическому туннельному эффекту ток может протекать насквозь без какого-либо сопротивления. Точно так же, хотя классическая физика не допускает, чтобы магнитный поток «перепрыгивал» через барьер из нанопроволоки, он, тем не менее, может проникать сквозь него благодаря законам квантовой физики.

Когерентный квантовый эффект сдвига фазы переменного тока может иметь такой же потенциал, как и эффект Джозефсона. Последние легли в основу сверхчувствительных датчиков магнитного поля, используемых, среди прочего, для обнаружения очень слабых магнитных полей, генерируемых в мозгу. Другое применение джозефсоновских переходов связано с тем фактом, что под воздействием микроволнового излучения ток, протекающий через переход, может иметь «ступеньки» напряжения вместо плавного изменения.

Эти так называемые шаги Шапиро лежат в основе квантовой метрологии: современный эталон 1 вольт опирается на устройства с джозефсоновскими переходами, а не на эталонный химический аккумулятор, размещенный в офисе мер и весов. Точно так же когерентный квантовый эффект сдвига фазы переменного тока может быть основой для квантового стандарта в 1 ампер. «Это обеспечивает беспрецедентную точность, потому что при обоих этих эффектах размер шага определяется фундаментальными законами природы. Учитывая сверхпроводимость, он никак не зависит от внешних условий или используемых материалов», — главный исследователь исследования, профессор Олег Астафьев из Сколтеха, прокомментировал.

В своем исследовании в журнале Nature исследовательская группа из Сколтеха под руководством Астафьева, который также возглавляет лабораторию искусственных квантовых систем в МФТИ, сообщает о наблюдениях когерентного квантового эффекта фазового сдвига переменного тока, одного из немногих оставшихся фундаментальных физических эффектов сверхпроводимости, которые были обнаружены. теоретически предсказано, но не реализовано экспериментально. Он проявляется в виде обратных или двойных ступенек Шапиро в сверхпроводящих нанопроволоках, на вольтамперных графиках которых видны ступени тока при изменении напряжения. Это аналогично скачкам напряжения в давно известном эффекте Шапиро в переходах Джозефсона.

Предсказанные еще в 90-х советскими физиками Константином Лихаревым, Александром Зориным и Дмитрием Авериным из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, такие нынешние шаги до сих пор ускользали от экспериментального наблюдения. В недавнем исследовании международная исследовательская группа во главе с Астафьевым применила новый подход. Решающее значение для успеха эксперимента имел выбранный материал нанопроволоки — тонкие пленки нитрида ниобия, а также довольно своеобразная схема: исследователи разместили индуктивные компоненты микронного размера, также сделанные из нитрида ниобия, рядом с нанопроволокой.

Наблюдение обратных ступеней Шапиро не просто подтверждает существование этого фундаментального физического явления. Эксперимент также закладывает основу для создания новых устройств, полезных для фундаментальных исследований , разработки метрологических стандартов и других технологических приложений.