Kompiuterių, ypač kvantinių, pasaulyje dažniausiai aptariami skaičiai: kiek yra kubitų, koks koherencijos laikas, kiek loginių operacijų atliekama per sekundę. Vis dėlto už šių rodiklių slypi kur kas rečiau akcentuojamas pamatas – medžiagos. Be jų nebūtų nei stabilumo, nei galimybės didinti sistemų mastą, nei patikimos ir pakartojamos gamybos. Būtent todėl tiek daug diskusijų kelia tripletinio (trijų komponentų) viršlaidumo tema.
Pastaruoju metu dėmesys krypsta į niobio ir renio lydinį NbRe. Pasirodė užuominų, kad ši medžiaga gali palaikyti netipišką elektronų poravimosi režimą, kai srovė perneša ne tik elektrinį krūvį, bet ir sukinį (spiną). Toks reiškinys primena trūkstamą grandį įrenginiuose, siekiančiuose suvaldyti kvantinius procesus neįvedant papildomų triukšmo ir nuostolių šaltinių.
Tripletinis viršlaidumas – kvantinių mašinų „šventasis Gralis“
Klasikiniuose viršlaidžiuose (superlaidininkuose) elektronai susiporuoja į vadinamąsias Kuperio poras singletinėje konfigūracijoje. Tai galima palyginti su itin griežtu šokiu dviese: partneriai privalo laikytis konkrečių taisyklių. Tokia pora neturi bendrojo (neto) spino, todėl „spininės komunikacijos“ požiūriu ji tarsi kurjeris be adreso – atvyks greitai, tačiau neatneš būtent tos savybės, kuri labiausiai domina spintronikos kūrėjus ir kvantinių bitų (kubitų) architektus.
Tripletiniame viršlaidyje elektronų poros elgiasi kitaip: jos gali pernešti spiną. Nors tai skamba abstrakčiai, pasekmės yra labai apčiuopiamos – kartu su elektros srove be nuostolių gali būti pernešama ir spino srovė. Kadangi spinas yra viena pamatinių savybių, ant kurių statomos kvantinės technologijos, tokia „be nuostolių veikianti linija“ atrodo kaip pagrindas stabilesniems kvantinių grandynų elementams.
Tripletiniai viršlaidžiai dažnai minimi kaip potencialus kelias į egzotinius materijos būvius, įskaitant reiškinius, numatomus topologinio kvantinio skaičiavimo koncepcijose. Tai nereiškia, kad „tripletas“ automatiškai virsta paruoštu kvantiniu kompiuteriu. Greičiau tai platforma, kurioje iki šiol labiau teoriniai sumanymai gali priartėti prie praktinių sprendimų.
NbRe po mikroskopu: kas iš tikrųjų stebėta?
Tyrimų objektu tapo NbRe – niobio ir renio lydinys, priskiriamas necentrosimetriniams viršlaidžiams. Tai reiškia, kad jo kristalinėje gardelėje nėra centro simetrijos. Tokios struktūros jau seniai traukia fizikų dėmesį, nes leidžia medžiagoje atsirasti singletinių ir tripletinių savybių mišiniams, kurių paprastesnės sandaros kristaluose pasiekti nepavyksta.
Svarbiausia čia ne vien pati medžiaga, bet ir metodas, kuriuo bandyta aptikti tripletinių porų egzistavimo požymius. Vietoje vieno „stebuklingo matavimo“ buvo suformuota daugiasluoksnė, tarsi sumuštinio tipo sandara: feromagnetinis sluoksnis – viršlaidis NbRe – dar vienas feromagnetinis sluoksnis, o visa struktūra papildomai „uždaryta“ antiferomagnetiniu sluoksniu.
Tokiose heterostruktūrose galima tirti vadinamąjį spino vožtuvo efektą. Keičiant feromagnetinių sluoksnių įmagnetinimo kryptis (kai jos nukreiptos lygiagrečiai arba priešingai), stebima, kaip kinta elektrinis pernašumas. Būtent čia ir pasirodė signalas, kurį mokslininkai sieja su tripletinėmis poromis: užfiksuotas „apverstas“ spino vožtuvo efektas. Jis interpretuojamas kaip užuomina, kad sistemoje plinta Kuperio poros su suderintais spinais (vadinamasis vienodo spino tripletinis režimas).
Spino srovė be nuostolių: ką tai duotų kvantinėms technologijoms?
Didžiausias kvantinių kompiuterių priešas yra nepageidaujamas atsitiktinumas: triukšmas, vibracijos, elektromagnetiniai trikdžiai, menki temperatūros svyravimai. Visa tai gali „išardyti“ kvantinę būseną greičiau, nei sistema spėja ją panaudoti. Praktikoje kova dėl naudingos kvantinės mašinos primena bandymą rašyti pieštuku ant vėjo blaškomo popieriaus lapo.
Jeigu medžiaga leidžia be nuostolių pernešti spiną, atsiveria galimybė kurti architektūras, kuriose informacija – taip pat ir kvantinė – perduodama bei apdorojama „švariau“: su mažesnėmis energijos sąnaudomis ir mažiau mechanizmų, generuojančių triukšmą. Mažesni nuostoliai reiškia mažiau išsiskiriančios šilumos, o tai ypač svarbu sistemoms, veikiančioms itin žemose temperatūrose.
Čia svarbi ir spintronika – sritis, kurioje spinas tampa informacijos nešėju, o ne vien „paslėpta“ elektrono savybe. Tripletinis viršlaidis tokioje infrastruktūroje atrodytų kaip ideali atkarpa: tarpinis sprendimas tarp tobulo laido ir kvantinės „duomenų magistralės“, kuria spino srovė teka be „mokesčių“. Palankiu scenarijumi tai reikštų ne tik stabilesnius kvantinius elementus, bet ir itin sparčius, energiškai efektyvius hibridinius įrenginius, sujungiančius klasikinius elektronikos komponentus su kvantine logika.
Medžiagos – tikrasis kvantinės revoliucijos frontas
Kvantinė industrija mėgsta pabrėžti kubitų skaičių, tačiau tikrasis iššūkių ir naujovių laukas dažnai slypi kitur: medžiagose, kontaktuose, sąsajose ir reiškiniuose, vykstančiuose vos kelių nanometrų storio sluoksnių ribose. Tai galima palyginti su automobiliais: galima turėti neįtikėtinai galingą variklį, bet jei transmisija ir aušinimo sistema neatlaikys, kelionė baigsis šalikelėje.
Todėl „šventasis Gralis“ šiame kontekste nebūtinai reiškia vieną stebuklingą atradimą, kuris išsprendžia visas problemas. Kartais tai tiesiog medžiaga, pašalinanti vieną esminį stabdį: leidžianti be nuostolių pernešti spiną, veikianti praktiškame temperatūrų intervale, tinkama gaminti plonų sluoksnių pavidalu ir nereikalaujanti vienkartinių laboratorinių „fokusų“ gamybos metu.
