Ученые создали одно из самых сложных квантовых устройств - квантовый фильтр, состоящий из 20 тысяч переходов Джозефсона

Группа ученых и инженеров из австралийского исследовательского института CSIRO разработала и изготовила несколько опытных образцов квантовых фильтров, построенных на базе матриц сверхпроводящих кольцевых элементов и так называемых переходов Джозефсона (Josephson junctions). Сейчас эти фильтры, в каждом из которых насчитывается по 20 тысяч переходов Джозефсона и которые являются одними из самых сложных квантовых устройств на сегодняшний день, проходят процесс настройки и тестирования с целью определения возможности их практического использования в различных областях науки и техники.

Данные устройства относятся к сверхпроводящим квантово-интерференционным фильтрам, использующим множество кольцевых сверхпроводящих элементов, связанных друг с другом переходами Джозефсона. Основной функцией таких устройств является обнаружение и измерение даже самых слабых магнитных полей. В данном устройстве все кольцевые элементы объединены параллельно-последовательным образом при помощи переходов, что позволяет получить высочайшую чувствительность устройства в целом. Переходы Джозефсона реализованы в виде двух слоев из различных сверхпроводящих материалов, разделенных тонким слоем диэлектрика. Ток через этот переход течет за счет эффекта квантового туннелирования электронов и носит колебательный характер благодаря эффекту Джозефсона.

Переходы Джозефсона расположены в непосредственной близости от кольцевых элементов различных размеров, изготовленных на основании из оксида магния. На поверхность основания нанесен слой полупроводника - оксида иттрия-бария-меди (YBCO), который покрыт еще более тонким слоем золота. Ученым пришлось провести ряд глубоких исследований и сложных расчетов, результатом которых стала геометрия кольцевых элементов фильтра и их взаимное расположение, что позволило снизить влияние индуктивности элементов на чувствительность устройства в целом.

Благодаря наличию большого количества кольцевых элементов, новые квантовые фильтры оказались способны регистрировать магнитное поле, силой порядка 1 микроТесла, что на несколько порядков лучше чувствительности лучших существующих магнитометров. Кроме этого, они могут регистрировать электромагнитное излучение в очень широком диапазоне спектра. Такие фильтры могут стать основой целого ряда приборов и устройств следующего поколения, таких, как магнитометры, используемые в геологических исследованиях, аналого-цифровые преобразователи, высокочастотные усилители, выполняющие одновременно и функцию антенны. Единственным ограничением к практическому использованию новых квантовых фильтров является то, что они работают только при сверхнизких температурах порядка 77 градусов Кельвина.