Була зареєстрована нестандартна модифікація ефекту Джозефсона

В експериментах, які проводилися в лабораторії Стенфордського університету (США), була зареєстрована нестандартна модифікація ефекту Джозефсона. Сам ефект, нагадаємо, полягає в протікання надпровідного струму в системі, утвореній двома надпровідниками і розташованим між ними «слабкою ланкою», шаром діелектрика або металу. Таку систему називають контактом Джозефсона.

В контакті, виготовленому авторами роботи, роль «слабкої ланки» зіграв незвичайний матеріал — селенід вісмуту Bi2Se3. Його відносять до так званих топологічних ізоляторів (ТИ), в обсязі яких існує заборонена зона, а на поверхні — металеве стан, набагато більш стійке, ніж поверхневі електронні стани в традиційних діелектриках. ТИ мають багато спільного з графеном: електрони в обох видах матеріалів можуть вести себе як безмассовые частинки і характеризуються лінійною залежністю енергії від імпульсу.

Вибір Bi2Se3 пояснюється тим, що джозефсонівських контактів з ТИ, згідно прогнозам теоретиків, можуть підтримувати електронні збудження, які ведуть себе подібно майорановским фермионам. «Реальні» ферміони цього типу, розглянуті Етторе Майораной більше сімдесяти років тому, повинні бути елементарними частинками, тотожними своїм античастицам. Відшукати приклади таких часток (скажімо, довести, що нейтрино має майорановскую природу) поки не вдається, а тому фахівці і виявляють інтерес до модельним твердотільних систем, у яких можуть з’являтися майоранівські моди.

Обчислення показують, що в контакті Джозефсона «майоранівські ферміони» організовуються в одновимірний «провід» між надпровідними висновками, позначений стрілками на малюнку нижче. Знаючи про це, експериментатори намагалися виявити якісь дивацтва в поведінці контактів з ТИ, але нічого певного досі не знаходили.

Схема джозефсоновского контакту з ТИ (ілюстрація з журналу Physical Review Letters).

Американці, навпаки, спостерігали нестандартний ефект Джозефсона, відрізняється від типового, як мінімум, за двома параметрами. Першим з них стало твір ICRN, де IC — критичний струм, максимальна величина постійного струму, при протіканні якого надпровідники не переходять в нормальне (несверхпроводящее) стан, а RN — опір в нормальному стані. Значення ICRN не повинно сильно відходити від Δ/e (відношення ширини вхідної щілини двох висновків в контакті Δ до заряду електрона e) і залежати від геометрії пристрою. Другим параметром виявився характерний коливальний відгук критичного струму на включення магнітного поля, прикладеного перпендикулярно. Певний набір значень індукції поля повинен звертати IC в нуль.

Для дослідів вчені підготували кілька джозефсоновских контактів з довжиною L, яка варіювалася від 20 до 80 нм, і шириною W, изменявшейся від 0,5 до 3,2 мкм. На графіку нижче наведені результати вимірювань — залежність напруги від прикладеного постійного струму — для пристрою з (L, W) = (45 нм, 1 мкм) при температурі до 12 мК. Коли магнітне поле відсутнє, ми можемо спостерігати звичайну роботу джозефсоновского контакту: якщо струм поступається IC = 850, напруга одно нулю, а через пристрій протікає надпровідний струм. При включенні магнітного поля величина IC зменшується, і в той момент, коли індукція досягає 10 мТл, висновки переходять в нормальний стан, а крива на графіку перетворюється в пряму.

Робота джозефсоновского контакту (ілюстрація з журналу Physical Review Letters).

Об’єднання цих результатів з вимірюванням RN, однак, дало зовсім невелике значення ICRN (30,6 мкВ), на порядок відрізнявся від розрахункового. Інші контакти з ТІ вели себе приблизно так само; крім того, при порівнянні даних автори виявили явну залежність ICRN від W. Перший мінімум IC в експериментах також припадав на меншу індукцію поля, ніж можна було очікувати, дивлячись на площу контактів.

За словами фізиків, що опублікували звіт про експерименти в журналі Physical Review Letters, пояснити всі ці дивацтва може тільки модель, яка враховує майоранівські стану. Нова робота, таким чином, підтверджує висновки голландської групи, яка вивчала гібридні пристрої з напів – і надпровідними елементами. Навесні цього року голландці також повідомляли про появу «майоранівських фермионов».

Підготовлено за матеріалами Американського фізичного товариства.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *