超伝導体の突然の変化は量子技術をハイギアにする可能性がある

インサイダーブリーフ

• 研究者らは、酸化インジウム膜などの高度に無秩序な超伝導体が突然の一次量子相転移を起こすことを発見し、段階的な転移を想定する従来の理論に疑問を呈した。
• この発見は、超流体の剛性が臨界無秩序レベルで急激に低下していることを明らかにしており、量子コンピューティング、特に安定した超伝導回路や超インダクターの設計に重大な影響を与える。
• この研究は、量子相転移の既存モデルを再検討し、無秩序が他の材料の超伝導にどのような影響を与えるかを調査する必要性を強調しています。

研究者らは、特定の無秩序な超伝導体が突然の相転移を示すことを発見した。この発見は確立された理論に疑問を投げかけ、量子コンピューティングに影響を与える可能性がある。

で発表された研究 自然 高度に無秩序な超伝導体である酸化インジウム膜を研究している研究者らは、超伝導状態から絶縁状態への遷移は、従来考えられていたような徐々にではなく、突然であることを示しています。一次量子相転移として知られるこの突然の変化は、超伝導体で一般的に観察される連続的な二次転移とは対照的です。

主要な測定により、超伝導状態の位相歪みに抵抗する能力を反映する特性である超流体の剛性が、臨界レベルの無秩序で急激に低下していることが明らかになった。興味深いことに、超伝導が破壊されるこれらの膜の臨界温度は、電子対の強さではなく、むしろ超流体の剛性に依存するようになりました。この挙動は、電子対が存在するものの、超伝導に必要なコヒーレンスが欠けている擬似ギャップ領域と一致します。

「この不連続な転移は、クーパー対間の反発相互作用の役割と、その後の超伝導と絶縁性クーパー対ガラスの間の競合を解明するものである」と研究者らは研究の中で述べている。 「さらに、フィルムの臨界温度はペアリング振幅とは関係がなく、プリフォームの擬似ギャップ領域と一致して、超流動剛性と一致することを示しました。私たちの発見は、量子相転移における無秩序の役割についての根本的な新たな疑問を提起し、量子回路における超インダクタンスへの影響をもたらします。」

量子コンピューティングに不可欠

この研究は、量子コンピューティングハードウェア、特に超伝導回路の設計に直接的な影響を及ぼします。超伝導体は量子コンピューターに不可欠であり、量子ビットやスーパーインダクターなどのコンポーネントの基盤を提供します。観察された突然の相転移は、量子システムの安定性と性能を向上させるために材料がどのように設計されるかを知ることができる可能性があります。

今回の研究に含まれるような、超流体剛性は低いがクーパー対の形成を保持している材料も、より効率的なスーパーインダクターの作成に役立つ可能性があります。これらは、量子ビットを外部妨害から保護し、コヒーレンス時間を向上させるために必要であり、実際の量子コンピューティング アプリケーションには不可欠です。

製造条件の制御

研究者らは、アモルファス酸化インジウム薄膜を研究し、製造条件を制御することで無秩序のレベルを調整した。研究チームは、高度なマイクロ波分光法を利用して、これらの膜から作製した超伝導共振器のプラズモンスペクトルを測定した。これらの測定により、超流体の剛性と無秩序が増加した場合のその挙動を正確に抽出することが可能になりました。

彼らは、無秩序が増加すると、超流体の剛性が既存の理論で予測されていた徐々に低下するのではなく、予期せぬ突然の低下を示すことを観察しました。このジャンプは巨視的なコヒーレンスの崩壊を示し、超伝導状態から絶縁状態への移行を示しました。

制限事項

この研究は、一次転移の説得力のある証拠を提供する一方で、根底にあるメカニズムについて新たな疑問を引き起こしています。クーパー対間の反発相互作用の役割と、電子対が固定化された状態である局在クーパー対ガラスの出現は、完全には理解されていません。包括的な理論を開発するには、これらの相互作用の微視的な詳細をさらに研究する必要があります。

研究はまた、特定の種類の不規則超伝導体である酸化インジウムに限定されていました。同様の遷移が他の材料でも起こるかどうかは未解決の問題です。

今後の方向性

この発見は、特に無秩序なシステムにおける量子相転移の確立されたモデルを再検討する必要性を強調しています。将来の研究では、これらの結果の他の超伝導体への適用可能性を調査し、材料特性、無秩序、量子現象の間の相互作用を調査する可能性があります。

さらに、この研究は、新しい量子回路コンポーネントを開発する可能性を強調しています。たとえば、スーパーインダクターは、無秩序が超流体の剛性や相転移にどのような影響を与えるかをより深く理解することで恩恵を受ける可能性があります。

研究者と機関

この研究は、グルノーブル アルプ大学、CNRS、グルノーブル INP、ニール研究所の Thibault Charpentier、David Perconte、Sébastien Léger、Kazi Rafsanjani Amin、Florent Blondelle、Frédéric Gay、Olivier Buisson、Nicolas Roch、Benjamin Sacépé によって実施されました。米国 Google Research の Lev Ioffe。グルノーブル・アルプ大学 LPMMC の Anton Khvalyuk 氏と Mikhail Feigel'man 氏。カールスルーエ工科大学のイゴール・ポボイコ氏。ミハイル・ファイゲルマンはさらに、CENN ナノセンターとヨジェフ・ステファン研究所にも所属しています。