Группа исследователей из Японии, Израиля и США впервые продемонстрировала эффект перемещения интенсивного потока электронов исключительно в одном направлении при инициации внутри некоего сверхпроводящего материала. Данное явление, получившее название т.н. хиральной сверхпроводимости, отличается от классической сверпроводимости, при которой любые электрические токи могут практически свободно течь по проводнику в обоих направлениях. Хиральная сверхпроводимость объединяет два ранее несовместимых концепции: первую из них составляет понятие хиральности — наличие двух материалов, являющихся зеркальными друг друга, подобно правой и левой рукам человека. И второе понятие – это сверхпроводимость, состояние материи, возникающее при сверхнизких температурах, при котором она может пропускать через себя электрический ток без сопротивления и без потерь соответственно.

Экспериментальное создание явления хиральной сверхпроводимости ранее было невозможным из-за ряда противоречивых требований к используемым материалам. Первые исследования в этом направлении проводились при помощи углеродных нанотрубок, которые обладают свойствами и хиральности, и сверхпроводимости при определенных условиях. Ученым удалось добиться электронной сверхпроводимости углеродных нанотрубок, но сделано это было по отношению не к отдельным нанотрубкам, а по отношению к материалу, состоящему из множества нанотрубок.

Данное достижение стало возможным благодаря применению нового материала, дисульфида вольфрама, который относится к классу переходных дихалькогенидов. Этот материал и многие другие из этого класса рассматриваются сейчас в качестве кандидатов на их применение в электронике, фотонике, спинтронике и в других областях. Нанотрубки, изготовленные из дисульфида вольфрама, являются сверхпроводниками при низких температурах, и они также имеют хиральную структуру. Более того, ученым известны некоторые методы, позволяющие управлять током, текущим через нанотрубку их дисульфида вольфрама, находящуюся в сверхпроводящем состоянии.

Когда исследователи охладили созданное ими устройство до температуры в 5.8 градусов Кельвина и начали пропускать через него переменный электрический ток, они установили, что сопротивление нанотрубки снизилось наполовину от его нормального значения в сверхпроводящем состоянии. После этого они применили магнитное поле, которое было направлено параллельно нанотрубке, и увидели ассиметричные сигналы, ток которых тек только в одном направлении. Подобные сигналы появляются иногда и в обычных сверхпроводящих материалах, но их величина столь мала, что ее можно не принимать в расчет. Исследователи считают, что причиной существенного усиления “однонаправленных” сигналов является именно хиральная структура нанотрубок из дисульфида вольфрама.

Хиральность материалов, как известно, затрагивает их оптические, магнитные и электрические свойства, что в некоторых случаях вызывает появление достаточно странных, нетривиальных, но уже немного изученных явлений, таких, как магнитные скирмионы в хиральных магнитных материалах. С другой стороны, ученые подозревали о возможности существования хиральной сверхпроводимости, но до последнего времени никому не удавалось засвидетельствовать это явление экспериментальным путем.

Пока еще сложно сказать, к каким результатам может привести данное открытие. Ведь эта область физики в настоящее время малоизученна и для того, чтобы поиметь из этого всего какую-нибудь практическую пользу, могут потребоваться годы и десятилетия времени.

Для любознательных

Исследования однонаправленной (односторонней) сверхпроводимости — одно из самых революционных направлений в современной физике твёрдого тела. До недавнего времени считалось, что сверхпроводимость невозможна только в одном направлении, поскольку в сверхпроводниках ток течёт без сопротивления в обоих направлениях. Однако в 2022 году этот барьер был преодолён, и с тех пор активно ведутся исследования по созданию сверхпроводниковых диодов — ключевых элементов для сверхбыстрых и энергоэффективных компьютеров.

Ниже — подробный обзор ведущих центров в России и мире, где занимаются этими прорывными исследованиями.

Ведущие мировые центры

1. Технический университет Делфта (TU Delft), Нидерланды

— Первый в мире создал односторонний сверхпроводник в 2022 году.
— Руководитель проекта — профессор Мазхар Али (Mazhar Ali) и его команда.
— Ключевая разработка: джозефсоновский диод на основе квантового двумерного материала Nb₃Br₈, содержащего внутренний электрический диполь.
— Принцип работы:

• При пропускании тока в одном направлении — материал ведёт себя как сверхпроводник (нулевое сопротивление).
• При токе в обратном направлении — появляется сопротивление, как у обычного проводника.
  — Устройство работает при температуре –196 °C (охлаждение жидким азотом), что уже приемлемо для промышленных систем.
  — Цель — масштабирование технологии для создания чипов с частотой до 1 ТГц (в 300–400 раз быстрее современных процессоров).
  — Исследование опубликовано в журнале Nature — одном из самых престижных научных изданий мира.

2. Гарвардский университет, США

— Ведутся теоретические и экспериментальные работы по асимметричным сверхпроводящим структурам.
— Учёные исследуют магнитные и топологические эффекты, которые могут приводить к направленной сверхпроводимости.
— Особое внимание — материалам с нарушением инверсной симметрии, где внутреннее электрическое поле создаёт условия для одностороннего тока.
— Используются нанолитография и сканирующая туннельная микроскопия для изучения поведения электронов.

3. Университет Райса (Rice University), США

— Исследуют необычные сверхпроводники, такие как магниевборид (MgB₂) и железосодержащие сверхпроводники, в условиях асимметричных контактов.
— Проводятся эксперименты по созданию диодоподобного поведения в гетероструктурах из сверхпроводников и магнитных материалов.
— Цель — понять, можно ли достичь односторонней сверхпроводимости без использования редких материалов, таких как Nb₃Br₈.

4. Институт теоретической физики Макса Планка (Германия)

— Теоретики моделируют новые механизмы направленной сверхпроводимости, включая:

• Спин-орбитальное взаимодействие,
• Топологические состояния,
• Квантовые интерференции в джозефсоновских соединениях.
  — Работа ведётся в тесной связке с экспериментальными группами в Европе и США.

5. Токийский университет, Япония

— Исследуют двумерные сверхпроводники на подложках с асимметричной структурой.
— Учёные создают искусственные диполи с помощью внешних электрических полей, что позволяет управлять направлением сверхпроводящего тока.
— Перспектива — создание перестраиваемых сверхпроводниковых диодов.

Ведущие российские центры

1. Московский физико-технический институт (МФТИ)

— Ведётся активная работа в области квантовых материалов и наноэлектроники.
— Учёные из Центра квантовых технологий и лаборатории нанооптики исследуют:

• Джозефсоновские соединения на основе сверхпроводящих пленок,
• Асимметричные наноструктуры для управления током,
• Гибридные системы «сверхпроводник–ферромагнетик».
  — Цель — создание квантовых битов (кубитов) и логических элементов на основе сверхпроводимости.
  — Используются современные методы нанофабрикации и криогенные измерения при температурах ниже 1 К.

2. Национальный исследовательский университет «МИФИ»

— Занимается разработкой высокотемпературных сверхпроводников и квантовых сенсоров.
— Исследуются асимметричные контакты в сверхпроводящих пленках для поиска признаков направленной проводимости.
— В рамках программы «Приоритет-2030» ведётся работа по созданию российских квантовых процессоров, где такие эффекты могут быть полезны.

3. Институт физических проблем им. П. Л. Капицы РАН (Москва)

— Один из старейших центров изучения сверхпроводимости в России.
— Здесь впервые в СССР были получены высокотемпературные сверхпроводники.
— Сейчас ведутся исследования:

• Квантового транспорта в наноструктурах,
• Эффектов на границах раздела «сверхпроводник–изолятор–сверхпроводник» (SIS-структуры),
• Влияния магнитных полей на асимметрию тока.
  — Используются ультранизкие температуры (до 0,02 К) и сильные магнитные поля.

4. Сколковский институт науки и технологий (Сколтех)

— Совместно с МФТИ и МИФИ разрабатывает новые материалы для квантовых устройств.
— Учёные моделируют двумерные гетероструктуры, аналогичные Nb₃Br₈, но на основе доступных и стабильных соединений.
— Цель — найти альтернативные материалы, которые могут проявлять одностороннюю сверхпроводимость при более высоких температурах.
— Используются компьютерное моделирование (DFT) и экспериментальная нанофабрикация.

5. Университет ИТМО (Санкт-Петербург)

— Исследуются метаматериалы и топологические сверхпроводники, где возможно появление асимметричного транспорта.
— Работа ведётся в рамках международных проектов по квантовым технологиям и фотонике.

Почему однонаправленная сверхпроводимость — это прорыв?

• Скорость: устройства на её основе могут работать на частотах до 1 ТГц, тогда как современные процессоры — до 5–6 ГГц.
• Энергоэффективность: отсутствие сопротивления в одном направлении означает минимальные потери энергии.
• Квантовые компьютеры: такие диоды могут стать основой логических элементов в квантовых процессорах.
• Новые законы физики: эффект требует пересмотра классических представлений о симметрии в сверхпроводниках.

Перспективы

• Следующий шаг — создание односторонних сверхпроводников при более высоких температурах, например, с использованием высокотемпературных сверхпроводников (как в проектах Сколтеха и МФТИ).
• Важная задача — масштабирование: производство миллионов диодов на одном чипе, как в обычной электронике.
• Если это удастся, XXI век действительно может стать веком сверхпроводников, как предсказывают учёные из TU Delft.

Где следить за новостями?

• Nature — основной журнал, где публикуются прорывные работы.
• Журнал «Письма в ЖЭТФ», «Наноструктуры. Математическая физика и моделирование» — российские источники.
• Конференции: International Conference on Superconductivity and Magnetism (ICSAM), APS March Meeting (США).