Ученые изготовили и экспериментально исследовали свойства квантового метаматериала, состоящего из пятнадцати сверхпроводниковых зеркальных кубитов. Оказалось, что свойствами метаматериала можно управлять с помощью внешнего магнитного поля: в одном из двух возможных режимов он практически прозрачен для электромагнитного излучения, а в другом — непрозрачен. Статья опубликована в Nature Communications.
Метаматериалы состоят из большого числа повторяющихся структур, называемых мета-атомами. В качестве таких структур могут выступать микроскопические препятствия, изменяющие направление распространения света, кремниевые пластинки или связанные друг с другом гироскопы — в принципе, что угодно, если оно представляет интерес для исследователей. Разумеется, ученые изучают метаматериалы не только ради интереса — используя их, можно изготовить приборы с необычными свойствами, которые нельзя получить с помощью обычных материалов. Например, метаматериалы помогают преодолеть дифракционный предел или «выключить» след, образуемый объектом при движении в воде.
В особый класс метаматериалов выделяют квантовые метаматериалы, свойства которых описываются уравнениями квантовой механики. Несмотря на то, что в качестве мета-атомов для подобных материалов предлагаются самые разные структуры, все созданные на сегодняшний день квантовые метаматериалы представляют собой массивы соединенных в цепочку сверхпроводниковых кубитов — искусственных атомов, основанных на джозефсоновских контактах. Подобные цепочки обладают рядом интересных свойств. Например, в них могут возникать коллективные моды возбуждений. Тем не менее, во всех установках коэффициент пропускания, то есть отношение величины прошедшей электромагнитной энергии к величине падающей энергии, оставался практически постоянным, что затрудняло их использование в практических приложениях.
На этот раз группа ученых из Российского квантового центра, МИСиС, МФТИ и ряда институтов Германии и Британии под руководством Алексея Устинова собрала квантовый метаматериал из пятнадцати сверхпроводниковых кубитов, а затем показала, что его коэффициент пропускания можно изменять с помощью внешнего магнитного поля. Для этого экспериментаторы немного модифицировали стандартную схему искусственного атома, изготовив зеркальные кубиты (twin flux qubit). В обычных кубитах используется только три джозефсоновских перехода, а в зеркальных их целых пять, к тому же они расположены симметрично относительно центральной оси. Из-за этого система обладает дополнительными степенями свободы, а основное энергетическое состояние кубитов и энергия перехода начинают плавно изменяться в зависимости от потока магнитного поля, пронизывающего кубит.
В результате проводимость цепочки начинает существенно зависеть от величины магнитного поля, в которое она помещена. Чтобы определить ее проводимость, физики направляли на первый кубит в цепочке микроволновое электромагнитное поле, а затем измеряли энергию волны, переизлучаемой последним кубитом. Оказалось, что цепочка может работать в двух режимах, определяемых частотой излучения и величиной магнитного поля. В одном режиме она не пропускает электромагнитные волны, зато в другом практически прозрачна для них, причем ее проводимость оказывается даже выше, чем в предыдущих экспериментальных реализациях квантовых метаматериалов.
Зависимость от величины магнитного потока, пронизывающего кубит, энергии основного состояния (a) и энергии перехода (b)
K. Shulga et al. / Nature Communications
Качественно это поведение можно объяснить, рассматривая, какая разница фаз набегает на разных джозефсоновских переходах кубита. При низкой температуре (в эксперименте она не превышала двадцати милликельвинов) кубит находится в основном энергетическом состоянии, а потому разницу фаз можно однозначно восстановить по величине магнитного потока, пронизывающего мета-атом. При определенных значениях поля сдвиги фаз становятся равными либо нулю, либо π, и кубит «запирается». В других случаях, наоборот, кубит пропускает через себя ток практически без потерь.
Зависимость коэффициента пропускания от величины магнитного потока и частоты волны (a), а также срезы этой зависимости при частоте 13 (b) и 10 © гигагерц
K. Shulga et al. / Nature Communications
В ноябре прошлого года мы писали о том, как ученые из МФТИ использовали искусственные атомы на основе сверхпроводниковых кубитов, чтобы продемонстрировать эффекты классического и квантового смешивания. Эта статья похожа на работу исследователей из МИСиС: ученые использовали близкие методы исследования, однако изучали разные эффекты. Более того, авторы этих статей частично совпадают: в обоих случаях в список соавторов входит Олег Астафьев, заведующий Лабораторией искусственных квантовых систем МФТИ.
Подробнее прочитать про то, как в МИСиС исследуют квантовые метаматериалы, можно в нашем материале «Игры со светом».
Дмитрий Трунин
Микрофотография установки, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии. Красными кружками отмечены положения джозефсоновских переходов в кубите
K. Shulga et al. / Nature Communications