Перенос сверхпроводящих наноструктур в 3D!⁠⁠

Переход от двухмерного к трехмерному пространству может существенно повлиять на поведение системы, будь то складывание листа бумаги в бумажный самолетик или закручивание проволоки в спиральную пружину. На наноуровне, в тысячу раз меньшем диаметра человеческого волоса, мы приближаемся к фундаментальным масштабам длины, характерным, например, для квантовых материалов.

На таких масштабах формирование нано-геометрий может привести к изменениям в свойствах самого материала, а переход к трехмерное пространство открывает новые способы настройки функциональности, нарушая симметрии, вводя кривизну и создавая взаимосвязанные каналы.

Несмотря на эти захватывающие перспективы, одной из основных задач остается: как реализовать такие сложные трехмерные геометрии на наноуровне в квантовых материалах? В новом исследовании международная команда, возглавляемая учеными из Института Макса Планка по химической физике твердых тел, создала трехмерные сверхпроводящие наноструктуры, используя технику, подобную нано-3D-принтеру.

Им удалось локально контролировать сверхпроводящее состояние в трехмерном мостовидном сверхпроводнике и даже продемонстрировать движение сверхпроводящих вихрей — нано-дефектов в сверхпроводящем состоянии — в трехмерном пространстве. Работа была опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Сверхпроводники — это материалы, известные своей способностью демонстрировать нулевое электрическое сопротивление и вытеснять магнитные поля. Это поразительное поведение возникает в результате формирования так называемых пар Купера — связанных пар электронов, которые движутся согласованно через материал, не рассекаясь.

«Одной из главных задач является получение контроля над этим сверхпроводящим состоянием на наноуровне, что является ключом к исследованию новых эффектов и будущей разработке технологических устройств», — объясняет Элина Жакина, постдокторант Института Макса Планка и первый автор исследования.

При формировании сверхпроводников в трехмерных нано-геометрических фигурах международная команда, в состав которой вошли исследователи из Германии (MPI CPfS, IFW) и Австрии (TU Wien, Университет Вены), смогла локально контролировать сверхпроводящее состояние — то есть «выключать» сверхпроводимость в различных частях наноструктуры.

Это сосуществование сверхпроводящих и «нормальных» состояний может привести к квантовым механическим эффектам, таким как так называемые слабые связи, которые, например, используются для ультра-чувствительных датчиков. Однако до настоящего времени такой контроль обычно требовал проектирования структур, например, в плоских тонких пленках, где сосуществование состояний предопределено.

«Мы обнаружили, что возможно включать и выключать сверхпроводящее состояние в различных частях трехмерной наноструктуры, просто вращая структуру в магнитном поле», — сказала Клэр Доннелли, руководитель группы Лиз Мейтнер в MPI-CPfS и последний автор работы. «Таким образом, нам удалось реализовать 'перенастраиваемое' сверхпроводящее устройство».

Реализация перенастраиваемой функциональности открывает новую платформу для создания адаптивных или многоцелевых сверхпроводящих компонентов. Это, наряду с возможностью передачи дефектов сверхпроводящего состояния, открывает путь к сложной сверхпроводящей логике и нейроморфным архитектурам, закладывая основу для нового поколения перенастраиваемых сверхпроводящих технологий.