Физики из МФТИ, Сколтеха и МИСиС вместе с коллегами из Великобритании и Германии построили первый зарядовый квантовый интерферометр — аналог сверхпроводящего квантового интерферометра (СКВИДа), в котором вместо электрического тока куперовских пар интерферируют магнитные потоки. С помощью нового прибора можно точно измерить напряженность электрического поля, а также определить эталон электрического тока, аналогичный современному эталону электрического напряжения. Работа ученых опубликована в Nature Physics.
Для измерения слабых магнитных полей физики используют сверхпроводящие квантовые интерферометры, сокращенно СКВИД (Superconducting Quantum Interference Device, SQUID). Эти приборы состоят из двух сверхпроводящих каналов, соединенных в кольцо и разделенных переходами Джозефсона, которые представляют собой слой обычного изолятора. Как известно, в сверхпроводнике электрический заряд переносится куперовскими парами связанных электронов, поведение которых описывается волновой функцией с заданной амплитудой и фазой. Когда через СКВИД пропускают электрический ток, на входе в него поток куперовских пар разделяется на две части, которые заново интерферирует на выходе из прибора. При отсутствии внешнего магнитного поля фазы волновых функций куперовских пар, идущих по разным каналам, совпадают на протяжении всей длины контура и сила тока после прохождения через СКВИД не меняется.
Ситуация существенно изменяется, когда поток магнитного поля через прибор отличен от нуля. В 1959 году Якир Ааронов и Дэвид Бом показали, что фаза волновой функции частицы зависит от величины электромагнитного векторного потенциала, в котором она находится. Следовательно, при наложении на СКВИД внешнего магнитного поля фазы волновых функций куперовских пар, проходящих через различные каналы, изменяются, и это сказывается на интерференции потоков на выходе из прибора. Это позволяет судить о величине магнитного поля по изменениям выходного тока — причем чувствительность этого метода так высока, что позволяет регистрировать даже отдельные кванты магнитного потока, величина которых примерно равна 2×10—15 вебер.
Кроме того, СКВИДы обладают еще одним интересным свойством. При пропускании через сверхпроводящий квантовый интерферометр переменного тока с высокой частотой напряжение на приборе начинает меняться скачкообразно при изменении силы тока — возникают так называемые ступеньки Шапиро. Поскольку частоту тока можно измерить с очень высокой точностью, а коэффициент пропорциональности между частотой и напряжением не зависит от конкретной реализации установки, это позволяет установить эталон напряжения. Собственно, в основе современного определения вольта лежит именно нестационарный эффект Джозефсона.
Таким образом, работа СКВИДов основана на изменении фазы куперовских пар при туннелировании через переход Джозефсона, однако это не единственная система, в которой наблюдаются подобные эффекты. В 2006 году было теоретически предсказано, что при туннелировании квантов магнитного потока — флюксонов (fluxons) — через сверхпроводящую проволоку их фаза будет изменяться, что также будет приводить к квантовой интерференции. В каком-то смысле, это явление можно считать проявлением дуальности, то есть сходства между электрическим и магнитным полем. В 2012 году группа ученых во главе с Олегом Астафьевым впервые зарегистрировала подобный эффект в эксперименте на отдельных сверхпроводящих проволоках. На этот раз группа под руководством Олега Астафьева использовала туннелирование флюксонов, чтобы построить аналог СКВИДа — зарядовый квантовый интерферометр, сокращенно ЧКВИД (Charge quantum interference device, CQUID).
Изготовленный физиками прибор полностью аналогичен СКВИДу, только вместо электрического тока (куперовских пар) в нем рассматривается магнитный поток (поток флюксонов), а вместо диэлектрического перехода Джозефсона каналы разделены сверхпроводящими проволочками. В качестве проводов ученые использовали непрерывные пленки из нитрида ниобия толщиной около 3,3 нанометра, которые образовали квадратный контур размером 30×50 нанометров. При этом внешнее магнитное поле физики заменяли электрическим полем, возникающим между обкладками заряженного конденсатора.
В результате эффекта Ааронова-Кашера, аналогичного эффекту Аааронова-Бома, фаза флюксонов начинала зависеть от напряженности этого поля, которая, в свою очередь, связана с зарядом конденсатора. Следовательно, по изменению разницы фаз можно было судить о величине заряда конденсатора. В эксперименте ученые измеряли эту разницу с помощью микроволновой спектроскопии — как и ожидалось, в зависимости от заряда конденсатора фаза периодически изменялась, причем экспериментальная зависимость отлично согласовывалась с теоретическими предсказаниями.
Авторы статьи отмечают, что аналогия между ЧКВИДом и СКВИДом позволяет в будущем разработать новый стандарт электрического тока, аналогичный современному эталону электрического напряжения, определяемого с помощью нестационарного эффекта Джозефсона. Правда, помешать этому может «загрязнение» потока квазичастицами, которые в больших количествах наблюдались учеными в эксперименте.
В декабре прошлого года российские физики изготовилисверхчувствительный прибор для измерения магнитного потока — чувствительность нового прибора почти в тысячу раз превышает чувствительность СКВИДов благодаря тому, что магнитное поле одновременно пронизывает сразу два сверхпроводящих контура, соединенных джозефсоновскими переходами. Также ранее мы писали, как ученые применяли СКВИДы для измерения магнитного поля отдельных нервов или доказательства сверхпроводимости монокристаллического висмута.
Дмитрий Трунин