Полосы заряда в сверхпроводнике связаны с двумя типами магнитных вихрей

Физики обнаружили связь между двумя явлениями в сверхпроводниках: порядком зарядовых полос и особыми возбуждениями в ядрах вихрей, которые ведут себя принципиально иначе, чем обычные электронные состояния. Исследование проведено на ультратонких плёнках железосодержащего сверхпроводника Ba(Fe₀.₉₄Co₀.₀₆)₂As₂ с помощью сканирующей туннельной микроскопии. Результаты помогают изучать связь зарядового порядка и вихревых состояний, потенциально интересных для квантовых технологий. Готового способа создания устойчивого квантового компьютера работа не предлагает.

Что такое зарядовые полосы и вихри в сверхпроводнике

В изученных плёнках исследователи обнаружили полосчатое распределение электронного заряда — один из вариантов зарядового порядка. Он проявляется как чередующиеся полосы с повышенной и пониженной плотностью электронов, ориентированные вдоль кристаллических осей.

Одновременно в сверхпроводниках второго рода во внешнем магнитном поле появляются вихри Абрикосова — трубки нормальной (несверхпроводящей) фазы, пронизывающие материал. В центре каждого вихря сверхпроводимость подавлена, и там могут существовать особые электронные состояния.

Авторы изучили, как эти два явления взаимодействуют.

Что обнаружили учёные:

• Зарядовые модуляции резко усиливаются внутри ядра вихря и распространяются в «ореол» вокруг него.
• Зарядовый порядок делит вихри на два типа в зависимости от положения центра относительно рисунка полос.
• Первый тип — абелевы вихри — содержит обычные возбуждения с полуцелым квантованием уровней энергии.
• Второй тип авторы отнесли к неабелевым вихрям: в нём обнаружены состояния с целочисленным квантованием и нулевое состояние, интерпретированное как майорановская мода.

Почему состояния Майорана так важны

Майорановская нулевая мода — локализованное коллективное возбуждение с нулевой энергией, обладающее свойствами собственной античастицы. Это не отдельная свободная частица. Такие состояния интересуют исследователей как возможная основа топологических кубитов, но их наличие само по себе не гарантирует защиты от любых помех.

В обычных кубитах взаимодействие с окружением может нарушать квантовое состояние. Предполагается, что определённые способы кодирования информации с помощью майорановских мод могут снизить чувствительность к некоторым локальным воздействиям. Именно поэтому их поиск — одна из центральных задач современной физики твёрдого тела и квантовых технологий.

Читайте также: Физики выяснили, как дефекты решётки управляют сверхпроводимостью FeSe.

Ключевое достижение работы состоит в том, что учёные показали: тип вихревого состояния связан с положением центра вихря относительно зарядовых полос. Это позволяет поставить вопрос о том, можно ли управлять такими состояниями, контролируя взаимное расположение вихрей и полос заряда. Связь наблюдалась и в ультратонких плёнках толщиной 2,5 элементарной ячейки, однако создание устройств на этой основе остаётся задачей дальнейших исследований.