莫斯科物理技术学院和斯德哥尔摩大学的一组研究人员开发了一种能够控制超导波函数相位的微型装置。由于超导电子学只处理这样的功能，因此该设备可以成为其基本元件之一——例如用于半导体技术的晶体管。科学家通过在约瑟夫森结附近特制的“陷阱”之间移动阿布里科索夫涡旋来控制相位转换。这些开关可用于实现在极低温度下运行的内存。

研究结果发表在《纳米快报》杂志上。基于超导材料的超快逻辑器件的瓶颈在于低温存储器的实现。由于通常的半导体存储设备不能在超低温下工作，因此存在一个尖锐的问题，即它们的等效设备也可以在液氦温度（4.2 K = -268.8 C）及以下温度下有效工作。

众所周知，传统电子器件通过电压或电流进行工作，而超导电子器件则根据超导波函数的相位工作，因为在超导体中，当电流低于其临界值时，电压始终为零。例如，在传统电子设备中，自主供电设备是电池 - 电子源，在超导电子设备中，模拟设备是相位电池 - 一种也可以在超导电路的特定部分自主产生相位差的设备为了启动过电流。

该设计由莫斯科物理技术学院和斯德哥尔摩大学的科学家开发，允许您设置、更改和长期保存约瑟夫森结中的相位差值 - 超导和量子电子学的基本元素。“超导本身是一种有趣的量子力学效应，因为超导体中的电子表现为一个整体——它们位于相同的能级上，并由单个波函数描述。

同时，与原子和光子不同，超导体虽然表现出量子特性，但具有宏观（数十微米）尺寸，”该文章的合著者、MIPT 太赫兹光谱实验室的首席研究员 Vladimir Krasnov 解释说。“当原子表现出量子力学时，这并不奇怪，但对于如此巨大的物体来说，这是非常出乎意料的。”

1962 年，后来的诺贝尔奖获得者布莱恩·大卫·约瑟夫森（Brian David Josephson）表明，如果你制造一种由薄绝缘体隔开的两个超导体组成的“电容器”，超导电流将在其极板之间流动。这种结构称为约瑟夫森结。在势垒两侧的电子波函数之间，由于隧穿交换，建立了相位差，相位差决定了电流的大小。可控地改变相位差的能力使得“调整”超导器件的状态成为可能。

为了控制相位差，科学家们在超导体中“解决”了阿布里科索夫涡旋。超导体不允许磁场进入自身，但在某些条件下，它可以在不破坏整体超导性的情况下以单个量子的形式穿透那里。超导电流开始在“洞”（穿透点）周围循环，以类似的方式，飓风漏斗在低气压区域周围扭曲。研究人员表明，通过移动涡旋，可以改变附近约瑟夫森结的相位差。

“2015 年，我们基于阿布里科索夫涡旋，为量子计算机创建了内存原型，”弗拉基米尔·克拉斯诺夫回忆道。- 这更容易：我们证明了我们可以通过获取 1 或 0 来打开或关闭涡流，这足以记忆。我们的新设备可以通过对电流脉冲的微小操作来改变相位差。剪切精度是使用专门制造的缺陷系统控制的——在晶体表面钻出的陷阱孔。

带有电流脉冲的“踢”会导致漩涡从一个陷阱里“飞出”并落入下一个陷阱。大致相同的方式，在不平坦的表面上，球滚入一个洞，因为这在能量上是有益的。通过将涡旋移动其大小数量级的距离，我们会引起显着的相变。四个陷阱的系统足以让我们在它们之间切换并在从零到 3π的范围内几乎连续地改变相位差，这对于实际应用来说绰绰有余。”

然而，脉冲实验并不能确定涡旋精确地落入人工制造的陷阱，因为在系统中，它可能会停留在其他缺陷上，并且仍然会影响波函数的相位。由于当地的探测研究方法，证明陷阱捕获漩涡成为可能。

莫斯科物理与技术研究所高级方法和纳米技术中心主任、该文章的合著者瓦西里·斯托利亚罗夫补充说：“使用低温磁力扫描显微镜，我们能够可视化这一事实。阿布里科索夫涡旋落入了一个特殊的“陷阱”，同时证明了它对接触特性的影响。

随后，这使得在新的定性水平上解释脉冲电子传输实验的结果成为可能。因此，本地研究方法再次证明了它们在明确确定纳米级系统的特性和功能特征方面的有效性。”

所开发设备的重要优点是小型化（数百纳米级）和自主性。超导量子器件极易受到干扰，而无需连接电线（潜在的杂散信号源）即可改变相位这一事实非常有价值。这种新设备很有可能成为制造更复杂的超导电子设备的基本元素。

MIPT 的中物理和纳米技术高级方法中心成立于 2021 年，在诺贝尔奖获得者安德烈·海姆爵士的科学监督下运作。该中心的研究基于现代探针和光谱方法。研究旨在获得新的基础知识，以及开发量子、电子、自旋、离子、分子和其他设备的新操作原理。解决了功能器件的小型化极限问题。