Созданы сверхпроводящие транзисторы, не теряющие своей работоспособности в условиях сверхсильных магнитных полей - «Наука и технологии»

Ученые из университета Гронингена (University of Groningen), Нидерланды, создали транзисторы, работающие за счет явления сверхпроводимости. Однако, основной особенностью этих электронных приборов является то, что они сохраняют свою работоспособность при воздействии сверхсильных магнитных полей, которые в большинстве других случаев разрушают эффект сверхпроводимости. Такие транзисторы обладают достаточно серьезным потенциалом для их использования в квантовых компьютерах и датчиках, позволяющих производить измерения при наличии магнитного поля, которое нарушает работу датчиков других типов.

Напомним нашим читателям, что сверхпроводящие материалы, помещенные в соответствующие условия, проводят без потерь энергии электрический ток. Явление сверхпроводимости зависит от электронов, которые в обычных условиях сталкиваются друг с другом и теряют часть своей энергии. В сверхпроводниках электроны образуют пары, называемые куперовскими парами, и эти пары способны перемещаться в материале, избегая столкновения с другими парами или единичными электронами.

Эффект сверхпроводимости исчезает тогда, когда влияние каких-нибудь внешних факторов разрушает целостность куперовских пар. В основном этим воздействием являются "толчки" атомов, совершающих тепловые колебания, амплитуда которых зависит от температуры материала. Подобное воздействие оказывает и магнитное поле и сверхпроводимость исчезает, даже если температура материала находится в необходимом диапазоне.

Ученые производили эксперименты с транзисторами из дисульфида молибдена, охлажденными до температуры в 12 градусов Кельвина. В результате ученые выяснили, что воздействие дополнительного электрического поля позволяет получить сверхпроводящее состояние в тонких пленках этого материала и при немного более высокой температуре. Кроме этого дисульфид молибдена, материал, который широко используется в качестве "сухой смазки" способен сохранять сверхпроводящее состояние даже под воздействием магнитного поля, силой в 37.5 Тесла. Для сравнения, магниты магнитно-резонансных томографов вырабатывают поле силой максимум в 3 Тесла.

Ученые выяснили, что когда дисульфид молибдена переходит в состояние сверхпроводимости, его электронная структура сама становится источником магнитного поля, сила которого достигает 100 Тесла. Это магнитное поле, простирается на очень малое расстояние от поверхности материала, тем не менее, оно весьма эффективно защищает электронные куперовские пары от воздействия внешних магнитных полей.

Следует отметить, что сверхпроводимость является ключевым моментом при создании сверхвысокочувствительных магнитных SQUID-датчиков (superconducting quantum interference devices), которые используются во множестве областей, таких, как анализ деятельности мозга, рентгенография, геологическая разведка и т.п. Новые транзисторы смогут стать основой SQUID-устройств, способных работать в условиях магнитных полей, что еще больше расширит области их применения.

Еще одной областью применения стойких к магнитному полю сверхпроводников является область квантовых вычислений. Электронные куперовские пары в сверхпроводниках могут формировать квазичастицы, называемые майорановскими фермионами. В теории эти квазичастицы могут использоваться в качестве среды передачи квантовых данных, среды, которая мало подвержена разрушительному воздействию высокой температуры. А устойчивые к воздействию магнитного поля сверхпроводники могут сделать такие квантовые системы еще более стабильными и надежными.

Дисульфид молибдена относится к классу материалов, называемых переходными металлическими дихалькогенидами (transition metal dichalcogenides, TMD). Поэтому подобными "антимагнитными" свойствами могут обладать и другие представители этого семейства материалов. И именно это собираются выяснить в ближайшее время ученые из Нидерландов, которые уже планируют произвести подобные эксперименты и с другими TMD-материалами.