Учёные Московского физико-технического института (МФТИ) вывели уравнение, описывающее движение квантовых вихрей в сверхпроводниках под действием микроволнового тока с учётом эффекта «запаздывания». Оно позволяет объяснить аномальное поведение вихрей на сверхвысоких частотах и даёт инженерам инструмент для точного управления кинетической индуктивностью – ключевым параметром сверхпроводниковых детекторов, резонаторов и кубитов, используемых в квантовых вычислениях. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review B.
Сверхпроводники – это материалы, которые при охлаждении до низких температур теряют электрическое сопротивление и могут проводить ток без потерь. На этом свойстве работают сверхчувствительные детекторы излучения, сверхпроводниковые резонаторы и кубиты – основные элементы квантовых компьютеров, а также магниты для МРТ и ускорители частиц. Однако при помещении сверхпроводника в магнитное поле внутри него возникают микроскопические магнитные нити – вихри Абрикосова. Под действием электрического тока они начинают двигаться, что приводит к потерям энергии и искажению работы устройства.
Долгое время считалось, что вихри движутся под действием тока как вязкая жидкость – трение гасит их движение, а инерции почти нет. Эта картина хорошо работала для постоянного тока. Однако современные сверхпроводниковые устройства работают на сверхвысоких частотах (микроволнах). И здесь старая теория дала сбой: поведение вихрей стало аномальным, и рассчитать потери энергии или настройку приборов было невозможно.
Чтобы решить эту задачу, физики МФТИ обратились к теории Гинзбурга - Ландау – основному математическому аппарату для описания сверхпроводимости. При этом они учли эффект, которым раньше пренебрегали: перестройка так называемого «потенциала дисбаланса зарядов» – электрической структуры, окружающей движущийся вихрь, – происходит не мгновенно, а с запаздыванием. На сверхвысоких частотах это становится критическим фактором, определяющим движение вихря.
Мы вывели новое уравнение движения вихря, которое включает это запаздывание в явном виде. В результате удалось не просто подогнать теорию под эксперимент, а математически объяснить, почему на высоких частотах возникает аномальное поведение – в частности, эффект, похожий на “отрицательную эффективную массу” вихря», - рассказал один из авторов исследования, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ Василий Столяров.
Новое уравнение показало, что поведение вихрей зависит от того, насколько быстро меняется ток. Если ток меняется очень быстро (на сверхвысоких частотах), вихрь начинает вести себя так, будто его удерживает на месте упругая сила. Он становится менее подвижным, а значит, при движении теряет меньше энергии и меньше мешает работе сверхпроводникового устройства.
Полученное уравнение открывает возможность для точного управления ключевым параметром сверхпроводниковых устройств – кинетической индуктивностью, которая определяет инерционность сверхпроводящего тока. Изменяя магнитное поле, инженеры смогут настраивать резонансную частоту сверхпроводниковых резонаторов, чувствительность детекторов электромагнитного излучения, а также параметры кубитов – базовых элементов квантовых процессоров. До сих пор точный расчёт этих характеристик в присутствии магнитного поля на высоких частотах был затруднён. Предложенная модель впервые позволяет выполнять такие расчёты на строгой теоретической основе, что особенно важно для разработки устройств микроволнового диапазона, работающих на частотах в несколько гигагерц.
Работа поддержана грантом Российского научного фонда № 25-12-00042.