Japanse onderzoekers ontdekken atomaire rails voor supergeleidende vortices

Japanse natuurkundigen hebben ontdekt dat piepkleine, één atoom hoge stapjes op het oppervlak van een supergeleider werken als rails voor zogeheten vortices. Deze wervelingen van magnetisch veld en stroom bewegen zich duizend keer makkelijker langs zo'n stap dan dwars erover. Het effect is bovendien te regelen met temperatuur en magneetveld, wat kansen biedt voor zuinigere supergeleidende chips.

Vortices als kwantumwervelingen

In een supergeleider stroomt elektrische stroom zonder weerstand, mits het materiaal koud genoeg is en er niet te veel magnetisch veld doorheen dringt. Komt er toch een magneetveld bij, dan dringt dat op sommige plekken toch door in de vorm van piepkleine wervelingen: vortices. Hoe deze vortices bewegen, bepaalt voor een groot deel hoe een supergeleider zich gedraagt. Bewegende vortices kosten energie en produceren warmte, wat de weerstandsloze stroom juist verstoort. Grip krijgen op de bewegingsrichting van vortices is daarom cruciaal voor toekomstige supergeleidende elektronica die nauwelijks stroom verbruikt.

Een team onder leiding van Takashi Uchihashi van het Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), onderdeel van het Japanse National Institute for Materials Science (NIMS), onderzocht een extreem dun supergeleidend laagje met regelmatig terugkerende, atomair kleine stapjes op het oppervlak. Met een scanning-tunnelmicroscoop, die het oppervlak van materialen atoom voor atoom kan aftasten, zagen de onderzoekers de evenwijdige stapjes en de vortices die zich daar precies langs ophielden. Metingen van de elektrische weerstand in vier richtingen toonden vervolgens aan dat de vortices bij gemiddelde magneetveldsterktes ruim duizend keer makkelijker langs de stapjes bewogen dan dwars erover.

Van vrije doorstroming tot kwantumtunneling

De onderzoekers zagen dat het gedrag van de vortices sterk afhangt van de omstandigheden. Tussen ongeveer 0,10 en 0,20 tesla stroomden de vortices ongehinderd langs de stapjes, zonder ergens vast te blijven zitten, een verschijnsel dat samenhangt met Josephson-vortexstroming in gelaagde supergeleidende materialen. Bij de laagste temperaturen nam een heel ander mechanisme het over: de vortices bewogen dan voornamelijk door kwantumtunneling, waarbij deeltjes als het ware door een energiebarrière heen 'sprongen' in plaats van eroverheen te gaan. Deze combinatie van instelbare geleiding en een schakelbaar bewegingsmechanisme maakt de atomaire stapjes een veelzijdig gereedschap om vortexgedrag naar wens te sturen.

Betekenis voor toekomstige chips

Het onderzoek, gepubliceerd in het vaktijdschrift Physical Review B, raakt aan een breder streven in de natuurkunde: het bouwen van elektronica die vrijwel geen energie verspilt. Supergeleidende schakelingen worden al gebruikt in extreem gevoelige sensoren en experimentele computerchips, maar ongecontroleerde vortexbewegingen vormen daarbij vaak een bron van warmteverlies en fouten. Als atomaire rails vortices gericht kunnen sturen, kan dat helpen om warmteontwikkeling in supergeleidende chips te beperken en de betrouwbaarheid van dergelijke kwantumtoestanden te vergroten. Voor toepassingen zoals kwantumcomputers, waar warmte en ruis de grootste vijanden zijn, is dat een aantrekkelijk vooruitzicht. De onderzoekers benadrukken dat het vooralsnog vooral gaat om een fundamenteel inzicht: hoe dit precies vertaald wordt naar werkende apparaten, moet vervolgonderzoek uitwijzen.