Sciencemag.cz
Doporučujeme
Představte si, že jako otočením knoflíku můžete změnit vlastnosti materiálu tak, aby se choval jako dokonalý vodič, úplný izolátor nebo cosi zajímavého mezi tím, co by nám mohlo pomoci lépe porozumět chování světa na kvantové úrovni. To je podstata nové studie publikované v časopise Physical Review Letters, na které se v rámci mezinárodní spolupráce podílel i výzkumník na FZU Filip Křížek.
Supravodiče – materiály, které pod určitou teplotou vedou elektrický proud za nulového odporu – se stávají klíčovými pro elektroniku, senzory a kvantové počítače nové generace. S postupujícím výzkumem však vědci objevili bohatší spektrum kvantových fází skrytých v blízkosti supravodivého stavu. Zkoumání těchto fází v reálných, složitých materiálech může být obtížné a čistě „zapnutá“ nebo „vypnutá“ supravodivost není vždy nejvhodnějším nástrojem pro experimenty.
Aby získali jemnější kontrolu, obrátili se vědci k soustavám Josephsonovým přechodů, nebo též spojů – k mřížkám drobných supravodivých ostrůvků oddělených ultratenkými bariérami. Tyto uměle vytvořené systémy mohou napodobovat kvantové stavy, které jsou jinak obtížně zkoumatelné a ještě hůře modelovatelné. V minulosti však byla jejich flexibilita omezena tím, do jaké míry lze ladit jejich vlastnosti.
Tým za nově publikovanou prací vytvořil hybridní polovodičovo-supravodivou mřížku – představte si ji jako orchestr, kde supravodiče hrají dokonale čisté tóny a polovodiče slouží jako dirigent, který může jemně měnit jejich ladění. Tato architektura umožňuje výzkumníkům přepínat mezi různými „skladbami“ – způsoby, jakým kvantové ostrůvky komunikují mezi sebou – a plynule řídit systém mezi režimy supravodič–izolátor, supravodič–kov a kov–izolátor. V praxi to znamená, že mohou nastavit nejen to, zda elektrony tečou skrz systém, ale také jaký kvantový rytmus při tom hrají.
Zvláště zajímavým stavem je anomální kovová fáze – do jisté míry paradoxní stav, který vede ve dvoudimezionálním systému elektrický proud jako kov, ale nechová se ani jako izolátor, ani jako supravodič, a to i v blízkosti absolutní nuly. Jde o novou testovací půdu pro kvantové fluktuace a neuspořádanost a potenciálně o cestu k výkonnějším a robustnějším kvantovým zařízením.
„Tento nový koncept zařízení nám umožňuje naladit systém na anomální kovovou fázi, exotický režim, ve kterém proud teče, aniž by docházelo k dokonalému vedení nebo izolaci. Je to jistá stabilní ‚střední cesta‘ při nízké teplotě, formovaná kvantovými fluktuacemi,“ říká Filip Křížek, výzkumník z Oddělení spintroniky a nanoelektroniky v Cukrovarnické. „Možnost nastavit toto chování podle potřeby nám poskytuje kontrolovatelnou platformu pro kvantové simulace, která slouží k testování teorií a v konečném důsledku k vývoji spolehlivějších kvantových komponent. Jsem rád, že jsme mohli využít naše místní know-how v oblasti vývoje materiálů k umožnění tak zajímavé studie.“
Tím, že nová práce přeměňuje obtížně dosažitelné fáze na přístupné, laditelné nastavení, otevírá praktickou cestu k prozkoumání – a využití – kvantového chování hmoty s bezprecedentní přesností.
Sasmal, S., Efthymiou-Tsironi, M., Nagda, G., Fugl, E., Olsen, L. L., Krizek, F., … & Vaitiekėnas, S. (2025). Voltage-tuned anomalous-metal to metal transition in hybrid Josephson junction arrays. Phys. Rev. Lett. 135, 156301. DOI: https://doi.org/10.1103/xbm4-37cf
