Efekti themelor i fizikës së superpërçuesve u vëzhgua 30 vjet pasi u parashikua
Një zbulim eksperimental i një fenomeni fizik themelor nuk është diçka që ndodh shpesh. Megjithatë, kjo është ajo që studiuesit e Skoltech dhe kolegët e tyre evropianë arritën të bënin kohët e fundit: në punimin e tyre në Nature, ata raportojnë demonstrimin eksperimental të të ashtuquajturit efekti koherent i rrëshqitjes së fazës kuantike AC. Ai ka premtime të krahasueshme me atë të efektit Josephson, i cili qëndron në themel të standardit të sotëm të sensorëve të tensionit dhe ultrasensitive të fushës magnetike.
Efekti koherent kuantik i rrëshqitjes së fazës AC manifestohet si një model hapash në rrymën elektrike që rrjedh përmes nanotelave superpërçues të ekspozuar ndaj mikrovalëve. Nanoteli shërben si një pengesë tuneli për kuantet e fluksit magnetik, në mënyrë të ngjashme me mënyrën se si një shtresë e hollë izoluesi midis dy superpërçuesve – i njohur si një kryqëzim Josephson – shërben si një pengesë tuneli për ngarkesat elektrike. (Parashikuar në vitin 1962 nga shkencëtari britanik Brian Josephson dhe emëruar për nder të tij, kryqëzimi Josephson i dha atij çmimin Nobel në fizikë të vitit 1973.)
Nga këndvështrimi i fizikës klasike, një kryqëzim Josephson nuk është i ndryshëm nga një ndërprerje qarku. Sidoqoftë, për shkak të efektit të tunelit mekanik kuantik, rryma mund të rrjedhë pa asnjë rezistencë. Në mënyrë të ngjashme, ndërsa fizika klasike nuk e lejon që fluksi magnetik të “kërcejë” pengesën e nanotelave, megjithatë, ajo mund të tunele drejtpërsëdrejti falë ligjeve të fizikës kuantike.
Efekti koherent i rrëshqitjes kuantike AC mund të ketë po aq potencial sa efekti Josephson. Ky i fundit u bë themeli i sensorëve ultrasensitive të fushës magnetike, të përdorura, ndër të tjera, për të zbuluar fushat magnetike shumë të dobëta të krijuara në tru. Një aplikim tjetër i kryqëzimeve Josephson ka të bëjë me faktin se, nën ekspozimin e mikrovalës, rryma që rrjedh nëpër kryqëzim mund të shfaqë “hapa” të tensionit në vend që të ndryshojë në mënyrë të qetë.
Këto të ashtuquajtura hapa Shapiro qëndrojnë në themel të metrologjisë kuantike: Standardi i sotëm prej 1 volt mbështetet në pajisje me kryqëzime Josephson dhe jo në një akumulator kimik referues të vendosur në një zyrë peshash dhe masash. Në mënyrë të ngjashme, efekti koherent i rrëshqitjes së fazës kuantike AC mund të jetë themeli për një standard kuantik prej 1 amper. “Kjo mundëson saktësi të paparë, sepse me të dyja këto efekte, madhësia e hapit përcaktohet nga ligjet themelore të natyrës. Duke pasur parasysh superpërcjellshmërinë, ajo nuk varet nga kushtet e jashtme ose materialet e përdorura në asnjë mënyrë,” hetuesi kryesor i studimit, profesor Oleg. Astafiev i Skoltech, komentoi.
Në studimin e tyre në Nature, grupi hulumtues nga Skoltech i udhëhequr nga Astafiev – i cili gjithashtu drejton Laboratorin e Sistemeve Kuantike Artificiale në MIPT – raporton vëzhgimet e efektit koherent të rrëshqitjes së fazës kuantike AC, një nga efektet e pakta themelore fizike të mbetura të superpërçueshmërisë që ishin të parashikuara teorikisht por jo të realizuara eksperimentalisht. Ai manifestohet si hapa të kundërt, ose të dyfishtë, Shapiro në nanotelat superpërcjellës, parcelat e tensionit aktual të të cilëve shfaqin hapa të rrymës ndërsa tensioni ndryshon. Kjo është analoge me hapat e tensionit në efektin e njohur Shapiro në kryqëzimet Josephson.
Të parashikuara qysh në vitet ’90 nga fizikanët sovjetikë Konstantin Likharev, Alexander Zorin dhe Dmitri Averin nga Universiteti Shtetëror i Moskës Lomonosov, hapa të tillë aktualë deri më tani i kanë shmangur vëzhgimit eksperimental. Në studimin e fundit, grupi kërkimor ndërkombëtar i kryesuar nga Astafiev përdori një qasje të re. Vendimtare për suksesin e eksperimentit ishte materiali me nanotel që ata zgjodhën – filma të hollë të nitridit të niobiumit – si dhe një dizajn qarku mjaft i veçantë: Studiuesit depozituan përbërës induktivë me madhësi mikron, të bërë gjithashtu nga nitridi i niobiumit, pranë nanotelit.
Vëzhgimi i hapave të kundërt Shapiro bën më shumë sesa konfirmon ekzistencën e këtij fenomeni fizik themelor. Eksperimenti gjithashtu shtron bazat për krijimin e pajisjeve të reja të dobishme për kërkimin themelor, zhvillimin e standardeve metrologjike dhe aplikacione të tjera teknologjike.