Зарегистрирован нетрадиционный эффект Джозефсона

В экспериментах, которые проводились в лаборатории Стэнфордского университета (США), была зарегистрирована нестандартная модификация эффекта Джозефсона.

Сам эффект, напомним, заключается в протекании сверхпроводящего тока в системе, образованной двумя сверхпроводниками и расположенным между ними «слабым звеном», слоем диэлектрика или металла. Такую систему называют контактом Джозефсона.

В контакте, изготовленном авторами работы, роль «слабого звена» сыграл необычный материал — селенид висмута Bi₂Se₃. Его относят к так называемым топологическим изоляторам (ТИ), в объёме которых существует запрещённая зона, а на поверхности — металлическое состояние, гораздо более устойчивое, чем поверхностные электронные состояния в традиционных диэлектриках. ТИ имеют много общего с графеном: электроны в обоих видах материалов могут вести себя как безмассовые частицы и характеризуются линейной зависимостью энергии от импульса.

Выбор Bi₂Se₃ объясняется тем, что джозефсоновские контакты с ТИ, согласно предсказаниям теоретиков, могут поддерживать электронные возбуждения, которые ведут себя подобно майорановским фермионам. «Реальные» фермионы этого типа, рассмотренные Этторе Майораной более семидесяти лет назад, должны быть элементарными частицами, тождественными своим античастицам. Отыскать примеры таких частиц (скажем, доказать, что нейтрино имеет майорановскую природу) пока не удаётся, а потому специалисты и проявляют интерес к модельным твердотельным системам, в которых могут появляться майорановские моды.

Вычисления показывают, что в контакте Джозефсона «майорановские фермионы» организуются в одномерный «провод» между сверхпроводящими выводами, обозначенный стрелками на рисунке ниже. Зная об этом, экспериментаторы пытались обнаружить какие-нибудь странности в поведении контактов с ТИ, но ничего определённого до сих пор не находили.

Схема джозефсоновского контакта с ТИ (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Американцы, напротив, наблюдали нестандартный эффект Джозефсона, отличающийся от типового как минимум по двум параметрам. Первым из них стало произведение I_CR_N, где I_C — критический ток, максимальная величина постоянного тока, при протекании которого сверхпроводники не переходят в нормальное (несверхпроводящее) состояние, а R_N — сопротивление в нормальном состоянии. Значение I_CR_N не должно сильно отходить от Δ/e (отношения ширины сверхпроводящей щели двух выводов в контакте Δ к заряду электрона e) и зависеть от геометрии устройства. Вторым параметром оказался характерный колебательный отклик критического тока на включение магнитного поля, приложенного перпендикулярно. Определённый набор значений индукции поля должен обращать I_C в ноль.

Для опытов учёные подготовили несколько джозефсоновских контактов с длиной L, которая варьировалась от 20 до 80 нм, и шириной W, изменявшейся от 0,5 до 3,2 мкм. На графике ниже показаны результаты измерений — зависимость напряжения от приложенного постоянного тока — для устройства с (L, W) = (45 нм, 1 мкм) при температуре в 12 мК. Когда магнитное поле отсутствует, мы можем наблюдать обычную работу джозефсоновского контакта: если ток уступает I_C = 850 нА, напряжение равно нулю, а через устройство протекает сверхпроводящий ток. При включении магнитного поля величина I_C уменьшается, и в тот момент, когда индукция достигает 10 мТл, выводы переходят в нормальное состояние, а кривая на графике превращается в прямую.

Работа джозефсоновского контакта (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Объединение этих результатов с измерением R_N, однако, дало совсем небольшое значение I_CR_N (30,6 мкВ), на порядок отличавшееся от расчётного. Другие контакты с ТИ вели себя примерно так же; кроме того, при сравнении данных авторы обнаружили явную зависимость I_CR_N от W. Первый минимум I_C в экспериментах также приходился на меньшую индукцию поля, чем можно было ожидать, глядя на площадь контактов.

По словам физиков, опубликовавших отчёт об экспериментах в журнале Physical Review Letters, объяснить все эти странности может только модель, которая учитывает майорановские состояния. Новая работа, таким образом, подтверждает выводы голландской группы, изучавшей гибридные устройства с полу- и сверхпроводящими элементами. Весной этого года голландцы также сообщали о появлении «майорановских фермионов».

Подготовлено по материалам Американского физического общества.