Японские учёные нашли, что крошечные ступени высотой всего один атом могут действовать как микроскопические рельсы, по которым движутся квантовые вихри внутри ультратонкого сверхпроводника. При определённых условиях вихри «передвигаются» более чем в тысячу раз легче вдоль ступеней, чем поперёк них. Исследование также показывает, что этот эффект можно регулировать изменением температуры или магнитного поля. Эти результаты появляются как результат экспериментов на ультратонком слое материала и анализа движения вихрей в присутствии регулярной дорожки из атомных ступеней.

Работу выполняла группа из Центра материалов Nanoarchitectonics (MANA), входящего в Институт материалов НИСМС (NIMS) в Японии. Их выводы предлагают новый подход к управлению квантовым поведением и могут со временем помочь инженерам разработать сверхпроводящую электронику, потребляющую гораздо меньше энергии и обрабатывающую информацию более эффективно.

Для проверки проблемы учёные исследовали ультратонкий сверхпроводник с рядом регулярно расположенных атомных ступеней на поверхности. С помощью сканирующей туннельной микроскопии они подтвердили параллельное выравнивание ступеней и непосредственную локализацию вихрей вдоль них. Эксперименты демонстрировали резкое различие в подвижности вихрей в зависимости от направления: при промежуточных магнитных полях вихри передвигались более чем в тысячу раз легче вдоль ступеней, чем поперёк. Это означало, что ступени работают как крошечные рельсы, создавая предпочтительные траектории для квантовых вихрей.

Учёные также отметили поведение при магнитном поле от примерно 0,10 до 0,20 тесла: вихри могли свободно двигаться вдоль ступеней, не застревая в дефектах материала. Такое явление назвали одно-/одномерной «плоскости без удержания» вихрей, что означает движение вдоль заданного пути без обычных препятствий. В самых низких температурах наблюдалось квантовое туннелирование — вихри могли туннельно преодолевать энергетические барьеры, которые в классической физике помешали бы их движению.

По словам ведущего автора Тиатакэ Учихаши, атомские ступени могут выступать эффективными рельсами, направляющими вихри, и этот эффект «регулируется просто изменением температуры или магнитного поля». В отсутствие дефектов при диапазоне полей и низких температурах движение вихрей может подчиняться новым квантовым режимам. Хотя практические приложения требуют дальнейшей разработки, предложенная атомарно-вовая дорожка может помочь в будущем управлять как движением вихрей, так и теплоотводом в сверхпроводниковых технологиях и снизить энергопотребление.