Nadprzewodnik, który pamięta. Impuls prądu zmienia jego stan na długie godziny
Nadprzewodniki potrafią przewodzić prąd bez oporu, ale czy mogą też przechowywać informację? Okazuje się, że tak - przynajmniej w przypadku egzotycznego związku uranu, telluru i tytanu.
Spis treści
Czy chaotyczna sieć kwantowych wirów może stać się nośnikiem informacji?. Fot. ThomasVJ37, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0
Nadprzewodniki kojarzymy z bezoporowym przepływem prądu, a nie z przechowywaniem informacji. Tymczasem międzynarodowy zespół fizyków udowodnił, że egzotyczny związek uranu, telluru i tytanu - UTe₂ - potrafi „zapamiętać” swój stan nadprzewodzący na długie godziny, sterowany wyłącznie impulsami elektrycznymi.
Wielofazowy nadprzewodnik z uranu
→ Czytaj też: Gdzie wyrośnie kryształ? Naukowcy właśnie nauczyli się dyktować naturze, gdzie ma zacząć
UTe₂ od lat przyciąga uwagę badaczy jako kandydat na nadprzewodnik z falą typu p - rzadką formę nadprzewodnictwa, która może mieć kluczowe znaczenie dla topologicznych komputerów kwantowych. W badaniu opublikowanym w Nature naukowcy skupili się na jeszcze mniej zbadanej cesze tego materiału: współistnieniu dwóch odrębnych faz nadprzewodzących.
Materiały wielofazowe są wyjątkowo rzadkie. Poza słynnym nadciekłym helem-3 znano dotąd zaledwie kilka przykładów, głównie wśród związków ciężkofermionowych, takich jak CeRh₂As₂ czy UPt₃. UTe₂ dołącza do tego elitarnego grona, oferując przy tym coś, czego nikt się nie spodziewał - wbudowaną funkcję pamięci.
Impuls, który zmienia reguły gry
→ Czytaj też: Nadprzewodnictwo ma sekretny wstęp. Elektrony wirują w pętlach, zanim prąd popłynie bez oporu
Kluczowy eksperyment polegał na wprowadzeniu materiału w reżim pośredni, gdzie obie fazy nadprzewodzące nachodzą na siebie. W takich warunkach badacze aplikowali krótkie impulsy prądu stałego. Efekt? Materiał przechodził w stan metastabilny o zwiększonej gęstości prądu krytycznego Jc, czyli wyższej zdolności do przewodzenia prądu bez utraty nadprzewodnictwa.
Co istotne, przełączenie działało w obie strony. Odpowiednio dobrany impuls mógł zarówno wprowadzić UTe₂ w stan wysokiego Jc, jak i przywrócić go do pierwotnej konfiguracji. System „pamiętał”, w którym trybie się znajduje, przez dłuższy czas - bez żadnego zewnętrznego podtrzymania.
Szklisty wir zamiast tranzystora
Skąd bierze się ta niezwykła histereza? Autorzy interpretują ją jako efekt hartowania nieuporządkowanego, szklistego stanu wirowego. W nadprzewodniku pole magnetyczne przenika w postaci kwantowych wirów. Gwałtowny impuls prądu „zamraża” je w chaotycznej, nierównowagowej konfiguracji, która silniej kotwiczy wiry i tym samym podnosi Jc. Powolne „wyżarzanie” prądem o stopniowo rosnącym natężeniu przywraca równowagową sieć wirów i pierwotne właściwości.
W przeciwieństwie do wcześniejszych realizacji pamięci nadprzewodnikowych, które wymagały sąsiedztwa warstw magnetycznych lub półprzewodnikowych, tutaj funkcjonalność pamięci jest wewnętrzną cechą samego porządku nadprzewodzącego. Nie potrzeba dodatkowych interfejsów ani heterostruktur - cała „inteligencja” tkwi w dynamice kwantowej materii wirowej.
Kwantowa pamięć bez półprzewodników
Odkrycie otwiera nowy rozdział w badaniach nad pamięciami kriogenicznymi, które mogłyby pracować w temperaturach bliskich zera bezwzględnego, bezpośrednio zintegrowane z procesorami kwantowymi. UTe₂ działa w ekstremalnie niskich temperaturach i wymaga silnych pól magnetycznych, ale sama koncepcja - pamięć wynikająca wyłącznie z topologii wirów - jest na tyle fundamentalna, że może zainspirować poszukiwania podobnych zjawisk w innych materiałach.
Fizycy zaznaczają, że to dopiero początek drogi. Zrozumienie, jak kontrolować szkliste stany wirowe w nadprzewodnikach wielofazowych, może doprowadzić do nowej klasy elementów pamięci - szybszych i bardziej energooszczędnych niż cokolwiek, co znamy z elektroniki półprzewodnikowej. Na razie jednak UTe₂ pozostaje egzotycznym obiektem badań podstawowych, który przypomina, jak niewiele wciąż wiemy o zbiorowym zachowaniu kwantowych cząstek.
