Kompiuteriuose, ypač kvantiniuose, dažniausiai daugiausia dėmesio sulaukia skaičiai: kiek kubitų, koks koherencijos laikas, kiek loginių operacijų per sekundę. Tačiau už šių rezultatų stovi pamatas, apie kurį kalbama kur kas rečiau – medžiagos. Be jų nebūtų nei stabilumo, nei galimybės didinti sistemų mastą, nei patikimos, pakartojamos gamybos. Dėl šios priežasties tiek daug emocijų kelia tripletinio (trijų komponentų) viršlaidumo tema.
Pastaruoju metu dėmesio centre atsidūrė niobio ir renio lydinys NbRe. Pasirodė užuominų, kad jis gali palaikyti netipišką elektronų poravimosi būdą, kai srovė perneša ne tik elektrinį krūvį, bet ir sukinį (spiną). Tai jau panašu į trūkstamą grandį įrenginiuose, kurie bando suvaldyti kvantinį pasaulį nekurdami papildomų triukšmo ir nuostolių šaltinių.
Tripletinis viršlaidumas – kvantinių mašinų „šventasis Gralis“
Klasikiniuose viršlaidžiuose (superlaidininkuose) elektronai susiporuoja vadinamosiose Kuperio porose singletine konfigūracija. Tai galima palyginti su labai griežtu šokiu dviese: partneriai privalo laikytis konkretaus „žingsnio“. Tokia pora neturi bendro (neto) spino, todėl „spininės komunikacijos“ požiūriu ji yra tarsi kurjeris be adreso – atvyks greitai, bet nepristatys būtent tos savybės, kuri domina spintronikos kūrėjus ir kvantinių bitų (kubitų) architektus.
Tripletiniame viršlaidyje poros elgiasi kitaip – tai duetas, šokantis su didesne laisve: elektronų pora gali pernešti spiną. Nors tai skamba abstrakčiai, pasekmės labai konkrečios: be elektros srovės galima be nuostolių pernešti ir spino srovę. Kadangi spinas yra viena esminių savybių, ant kurių statomos kvantinės technologijos, tokia „be nuostolių veikianti linija“ atrodo kaip medžiaga, iš kurios įmanoma kurti stabilesnius kvantinių grandynų elementus.
Tripletiniai viršlaidžiai dažnai minimi kaip potencialus kelias į egzotinius materijos būvius, įskaitant reiškinius, numatytus topologinio kvantinio skaičiavimo koncepcijose. Tai nereiškia, kad „tripletas = paruoštas kvantinis kompiuteris“, veikiau tai – platforma, kurioje iki šiol teoriniai sumanymai turi šansą virsti praktiniais sprendimais.
NbRe po mikroskopu: kas iš tikrųjų stebėta?
Šiuo atveju tyrimų objektu tapo NbRe – niobio ir renio lydinys, priskiriamas necentrosimetriniams viršlaidžiams. Tai reiškia, kad jo kristalinėje gardelėje nėra tam tikros „centro simetrijos“. Tokios struktūros jau seniai vilioja fizikų bendruomenę, nes leidžia medžiagai vienu metu turėti ir singletinių, ir tripletinių savybių derinius, kurių paprastesniuose kristaluose pasiekti neįmanoma.
Įdomiausia čia – ne vien pati medžiaga, o tai, kaip tyrėjų komanda bandė aptikti tripletinių porų egzistavimą. Vietoje vieno „stebuklingo matavimo“ sukurta tarsi daugiasluoksnė sumuštinio tipo sandara: feromagnetinis sluoksnis – viršlaidis NbRe – dar vienas feromagnetikas, o visa struktūra papildomai „uždaryta“ antiferomagnetiniu sluoksniu.
Tokiose heterostruktūrose galima tirti vadinamąjį spino vožtuvo efektą. Keičiant feromagnetinių sluoksnių įmagnetinimo kryptis (lygiagrečias ar priešingas) 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 equal-spin triplet režimas).
Spino srovė be nuostolių – ką tai duotų kvantinėms technologijoms?
Kvantinių kompiuterių didžiausias priešas – atsitiktinumas, kurio niekas neužsakė: triukšmas, vibracijos, elektromagnetiniai trikdžiai, menki temperatūrų skirtumai. Viskas, kas gali „išpainioti“ kvantinę būseną greičiau, nei sistema spėja ją išnaudoti. Praktikoje kova dėl naudingos kvantinės mašinos primena bandymą rašyti pieštuku ant vėjo blaškomo popieriaus lapo.
Jei 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 itin svarbu sistemoms, veikiančioms itin žemose temperatūrose.
Prie to prisideda ir spintronika – sritis, kurioje spinas tampa informacijos nešėju, o ne tik paslėpta elektrono savybe. Tripletinis viršlaidis čia atrodytų kaip ideali atkarpa infrastruktūroje: kažkas tarp tobulo laido ir kvantinės „duomenų magistralės“, kuria spino srovė teka be „mokesčių už pravažiavimą“. Palankiu scenarijumi tai reikštų ne tik stabilesnius kvantinius elementus, bet ir itin sparčius, energiškai efektyvius hibridinius įrenginius, jungiančius klasikinius elektronikos komponentus su kvantine logika.
Medžiagos – tikrasis kvantinės revoliucijos frontas
Kvantinė industrija mėgsta girti kubitų skaičių, tačiau tikrasis iššūkių ir naujovių laukas dažnai slypi kitur: medžiagose, kontaktuose, sąsajose ir reiškiniuose, vykstančiuose dviejų nanometrų storio sluoksnių riboje. Tai galima palyginti su automobiliais: galite turėti neįtikėtinai galingą variklį, bet jei transmisija ir aušinimo sistema to neišlaikys, viskas baigsis šalikelėje.
Todėl „šventasis Gralis“ šiame kontekste nebūtinai reiškia vieną stebuklingą atradimą, kuris išsprendžia visas problemas. Kartais tai tiesiog medžiaga, kuri pašalina vieną esminį stabdį: leidžia be nuostolių pernešti spiną, veikia praktiškoje temperatūrų srityje, gali būti gaminama plonų sluoksnių pavidalu ir nereikalauja vienkartinių laboratorinių „fokusų“ gamybos metu.
