Исследователи из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ совместно с коллегами из Франции и Китая доказали, что эффект, который научное сообщество долго считало несомненным доказательством наличия топологической сверхпроводимости (и, следовательно, наличия частиц Майораны), может возникать и по совершенно банальным причинам — из-за тепловых эффектов. Работа ставит под сомнение интерпретацию множества экспериментов, проведенных за последние годы в разных лабораториях мира.
Частица Майораны — это экзотический квантовый объект, который ведет себя одновременно и как частица, и как своя собственная противоположность (античастица). Ученые охотятся за частицами Майораны, потому что из них можно было бы собрать идеальные кубиты — вычислительные элементы квантового компьютера, которым не страшны внешние шумы и помехи. В их поисках ученые часто используют хитроумные устройства. Одно из таких устройств — джозефсоновский переход: «бутерброд» из двух сверхпроводников, разделенных тонкой прослойкой из топологического изолятора (материала, который проводит ток только по поверхности).
Если подвергнуть такой переход воздействию микроволнового излучения, на графике зависимости напряжения от тока появляются характерные горизонтальные участки — ступени Шапиро. Обычная физика предсказывает появление всех ступеней подряд. Но если в системе присутствуют частицы Майораны, ток через переход начинает зависеть от разности фаз необычным образом — с периодом 4π, а не 2π, как в обычных сверхпроводниках. А это, в свою очередь, должно приводить к исчезновению нечетных ступенек Шапиро, прежде всего первой. Многие научные группы по всему миру наблюдали этот эффект и интерпретировали его как маркер наличия топографической сверхпроводимости.
Группа профессора Василия Столярова из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ создала предельно чистый («баллистический») джозефсоновский переход. Работа опубликована в журнале Communications Materials, входящем в семейство Nature. В качестве прослойки использовался монокристалл топологического изолятора Bi₂Te₂.₃Se₀.₇ толщиной всего 23 нанометра, подключенный к двум ниобиевым электродам. Ученые воздействовали на структуру микроволнами разной частоты и смотрели, как меняются ступени Шапиро. На низких частотах (ниже 2 ГГц) первая ступень действительно пропадала. Но как только частоту повышали до 2 ГГц и выше, ступенька появлялась вновь.
В целом это известный экспериментальный факт: на низких частотах ступени расположены ближе друг к другу по напряжению и их труднее разрешить, особенно при малой мощности сигнала. Однако исследователей заинтересовало, может ли исчезновение первой ступени быть вызвано не техническими сложностями, а физической причиной (в том числе, не только ожидаемой для топологической сверхпроводимости 4π-периодичностью, но и тепловыми эффектами).
Для этого исследователи построили модель, которая учитывает не только квантовые процессы, но и обычный разогрев структуры током (так называемый джоулев нагрев). Модель получила название tRSJ — тепловая резистивно-шунтированная модель (thermal resistively shunted junction). Исследователи представили джозефсоновский переход в виде схемы, где два параллельных джозефсоновских перехода: тривиальный, где есть все ступени Шапиро, и топологический, где видны только четные.
Оба канала «зашунтированы» сопротивлением, это как если бы они были подключены параллельно с обычным резистором, который регулирует ток. У каждого канала есть своя «предельная частота» — если внешнее излучение слишком быстрое (частота выше предела), канал просто не успевает реагировать и перестает давать вклад в ступеньки Шапиро. Это означает, что, меняя частоту облучения, можно «включать» и «выключать» вклад разных каналов. Расчеты показали, что наблюдаемое исчезновение первой ступени можно объяснить и без привлечения топологического канала.
Руководитель работы, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, д. ф.-м. н. Василий Столяров, подчеркнул: «Мы показали, что отсутствие первой ступени Шапиро само по себе не является достаточным доказательством топологической сверхпроводимости. Даже в баллистическом режиме классические тепловые процессы и нелинейная динамика перехода могут приводить к такому эффекту».
Результаты исследования существенно усложняют жизнь экспериментаторам. Отныне, увидев исчезновение первой ступени Шапиро, нельзя делать однозначный вывод. Ученым придется учитывать тепловые эффекты и использовать более сложный набор критериев для поиска частиц Майораны, необходимых для создания нового поколения квантовых компьютеров.