Новый прибор измеряет поток сверхтоков, данные имеют применение в квантовых вычислениях • Служба новостей • Университет штата Айова

Опубликовано 2 декабря 2022 г., 00:00

Цзиган Ван со своим криогенным магнито-терагерцовым сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. (Сокращенно это cm-SNOM.) Прибор работает в экстремальных масштабах пространства, времени и энергии. Его производительность — это шаг к оптимизации сверхпроводящих квантовых битов, которые станут основой квантовых вычислений. Фото большего размера. Фотографии Кристофера Гэннона/Университет штата Айова.

Эймс, Айова – Джиган Ван предложил краткий обзор нового типа микроскопа, который может помочь исследователям понять и, в конечном итоге, разработать внутреннюю работу квантовых вычислений.

Ван, профессор физики и астрономии из Университета штата Айова, который также является сотрудником Национальной лаборатории Эймса при Министерстве энергетики США, описал, как прибор работает в экстремальных масштабах пространства, времени и энергии – миллиардных долях метра, квадриллионных долях секунды и триллионах. электромагнитных волн в секунду.

Ван указал и объяснил системы управления, лазерный источник, лабиринт зеркал, которые создают оптический путь для света, пульсирующего с частотой триллионы циклов в секунду, сверхпроводящий магнит, окружающий пространство образца, изготовленный на заказ атомно-силовой микроскоп, ярко-желтый криостат, который снижает температуру образца до температуры жидкого гелия, около -450 градусов по Фаренгейту.

Лабиринт зеркал создает оптический путь.

Ван называет этот прибор криогенным магнито-терагерцовым сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. (Сокращенно это cm-SNOM.) Он расположен в Центре чувствительных приборов Национальной лаборатории Эймса, к северо-западу от кампуса штата Айова.

На создание прибора потребовалось пять лет и 2 миллиона долларов — 1,3 миллиона долларов от Фонда В.М. Кека в Лос-Анджелесе (см. ниже) и 700 000 долларов от штата Айова и Национальной лаборатории Эймса — на создание инструмента. Он собирал данные и участвовал в экспериментах менее года.

«Его нет ни у кого», — сказал Ван о наноскопе экстремального масштаба. «Это первое в мире».

Он может фокусироваться на расстоянии примерно 20 нанометров, или 20 миллиардных долей метра, работая при температурах ниже гелиевых и в сильных магнитных полях Теслы. Этого достаточно мало, чтобы получить представление о сверхпроводящих свойствах материалов в таких экстремальных условиях.

Сверхпроводники — это материалы, которые проводят электричество (электроны) без сопротивления и тепла, как правило, при очень низких температурах. Сверхпроводящие материалы имеют множество применений, в том числе в медицинских целях, таких как МРТ-сканирование, и в качестве магнитных беговых дорожек для заряженных субатомных частиц, движущихся вокруг ускорителей, таких как Большой адронный коллайдер.

Сейчас сверхпроводящие материалы рассматриваются для квантовых вычислений — нового поколения вычислительной мощности, основанного на механике и энергиях атомного и субатомного масштабов квантового мира. Сверхпроводящие квантовые биты или кубиты — сердце новой технологии. Одной из стратегий управления потоками сверхтоков в кубитах является использование сильных импульсов световых волн.

«Сверхпроводниковая технология является основным направлением квантовых вычислений», — сказал Ван. «Итак, нам нужно понять и охарактеризовать сверхпроводимость и то, как ею управляют с помощью света».

Именно это и делает прибор cm-SNOM. Как описано в исследовательской статье, только что опубликованной в журнале Nature Physics, и в препринте, опубликованном на веб-сайте arXiv (см. врезки), Ван и группа исследователей проводят первые усредненные по ансамблю измерения потока сверхтоков в сверхпроводниках на основе железа на частоте терагерца. (триллионы волн в секунду) энергетические масштабы и первое действие cm-SNOM для обнаружения туннелирования терагерцового сверхтока в высокотемпературном купратном сверхпроводнике на основе меди.

«Это новый способ измерения реакции сверхпроводимости на импульсы световых волн», — сказал Ван. «Мы используем наши инструменты, чтобы предложить новый взгляд на это квантовое состояние на нанометровых масштабах во время терагерцовых циклов».

Илиас Перакис, профессор и заведующий кафедрой физики Университета Алабамы в Бирмингеме, участник этого проекта, разработавший теоретическое понимание управляемой светом сверхпроводимости, сказал: «Анализируя новые наборы экспериментальных данных, мы можем разработать передовые методы томографии для наблюдение квантовых запутанных состояний в сверхпроводниках, управляемых светом».