Зачем мы провели эксперимент? Эти изыскания были проведены нами в рамках исследовательских работ по квантовым компьютерам, несмотря на то, что руководство НИКСа категорически не верит в возможность их создания.

Для проведения эксперимента нам понадобилась золотая проволока. Не для того, чтобы показать крутость НИКСа, а потому что на золоте квантование проводимости получается лучше всего.

Руководитель направления цифровой техники и оборудования компании НИКС Марианна Оболенская докладывает об успехах НИКСа в области квантования проводимости

Кто же не знает, что такое квантование проводимости? Но для тех, кто подзабыл простейшие вещи, напомним: квантование проводимости – это естественное свойство идеального сверхтонкого проводника. Если движение электронов вдоль по проводу баллистическое и квантово-когерентное, а в поперечном направлении проволока настолько сужена, что движение поперёк от границы до границы проводника квантовано, и при этом энергии электронам хватает только на то, чтобы заполнить лишь несколько нижних мод размерного квантования, то проводимость должна квантоваться.

Если предыдущий абзац по какой-либо причине вам не ясен – дальше можете не читать, там пойдёт ещё круче, но интереснее.

Забегая вперёд, приводим наблюдаемый нами график, отображающий квантование проводимости при размыкании (по вертикальной оси отложена проводимость (уже выраженная в квантах проводимости), по горизонтальной – время).

Наш график:

Для сравнения – типичный график квантования проводимости при сверхнизких температурах в жидком гелии, полученный в западной научно-исследовательской лаборатории:

Источник: http://www.lorentz.leidenuniv.nl/beenakkr/mesoscopics/topics/qpc/physics_today/physics_today.html

Конечно, квантование проводимости не столь увлекательно, как получение фуллеренов, стрельба сверхмощными патронами, создание инерциоидов и квантовых левитаторов, но умелые руки не знают скуки, мы, конечно, решили получить квантование проводимости в научно-исследовательской лаборатории НИКСа.

Возможно ли провести успешный квантовый эксперимент что называется, «на коленке»? Не в стенах стерильных лабораторий, используя устройства с труднопроизносимыми названиями стоимостью миллионы долларов, а прямо у нас, в НИКСе? Измерить фундаментальные константы природы такие, как заряд электрона или постоянную Планка?

В некотором роде квантование проводимости возможно наблюдать почти везде, если соблюсти простые вышеупомянутые условия, но добиться этого на практике оказывается весьма и весьма трудно.

Но, как выяснилось, вполне возможно.

Первая феноменологическая работа на эту тему увидела свет только в 1957 году. Теоретик из IBM Рольф Ландауэр исходя из общих нестрогих посылок предположил¹, что металл должен иметь проводимость , где e – заряд электрона, а - постоянная Планка. Обратная величина

Но Ландауэр дал маху - формула содержит лишний знаменатель (1-T), правильное выражение



было выведено через четверть века.² Здесь T – это квантовая вероятность прохождения электрона с энергией Ферми через проводник.

Исследователи, знакомые с техникой функций Грина, могут вывести квантование проводимости примерно так:




Но у нас, в НИКСе, всё немного проще.

Сначала мы решили использовать схему с герконом и изучить проводимость плоских герконных контактов. Выбрали геркон единственного оставшегося отечественного производителя - Рязанского завода по производству герконов, намотали на геркон катушку индуктивности. Пропуская ток через катушку и тем самым создавая магнитное поле попробовали управлять микросужением между контактными площадками геркона.

Наша схема выглядела так:



Сама установка выглядит следующим образом:



Блок с герконом



Увы, схема оказалась настолько подвержена шумам и иногда даже автоколебаниям, что напомнила нам волгоградский «Танцующий мост». Такие колебания не позволили управлять проводником так тонко, как хотелось.

Итак, схема с герконом не сработала. Зато в процессе ковыряния с герконом мы вспомнили сопромат и немного разобрались, что может происходить в герконах, когда они срабатывают. Например, когда магнитное поле недостаточно для надёжного размыкания, но близко к критическому, контакты могут вести себя так, как показано на графике:



На верхнем графике отклонение края контакта и его середины от положения равновесия в зависимости от времени, на нижнем относительная величина силы притяжения контактов от времени.

Мы сваяли следующую конструкцию - остро заточенная металлическая игла прикреплена тупым концом к пьезоэлементу.

Подавая на пьезокристалл напряжение мы можем чрезвычайно тонко управлять положением иглы, то есть в том числе и поперечным сечением наноконтакта.

Схема «пьезоустановки» такова:



А сама установка выглядит так:



Управляемый блок, контакт показан стрелкой:



Сложность состояла в том, что появление даже отдельных примесных атомов на поверхности вблизи наноконтакта, например, кислорода или серы, немедленно портит баллистическое движение электронов.

Также полученные наносужения очень чувствительны к малейшим, буквально на доли атомных размеров, смещениям. То есть: мимо НИКСа проехал по улице грузовик – всё сбилось, хлопнули дверью в соседний кабинет – то же самое. Но, как известно, кто хочет – тот добьётся.

Приводим вам графики всё-таки полученного нами квантования проводимости (гистограмма количества успешных измерений определённой величины проводимости от величины проводимости, пики, показанные стрелками - полученное нами квантование):



Как видите, наблюдается ярко выраженное квантование. Для тех, кто ещё не понял – показано стрелочками. Вероятность наблюдать проводимость равную одному или даже двум квантам существенно статистически выше, чем получить в результате пол или полтора кванта)

Поскольку жидкого гелия у нас под рукой не оказалось, мы проводили измерения при комнатной температуре, разве что открыли форточку – в лаборатории было душновато.

Из данных измерений видно квантование проводимости контактов G, причём величина квантане связана с объёмной проводимостью металла, а выражается только через фундаментальные константы.

Контакты с поперечным размером в самой узкой части вплоть до нескольких атомов обладают замечательными свойствами. Например, электроны двигаются через подобные микросужения совершенно свободно, не теряя не только скорость и энергию, но и фазу (сохраняя квантовую когерентность).

В конце концов, для того, чтобы доказать, что для занятий фундаментальной наукой не нужно городить госкорпорации и коллайдеры общей площадью в несколько стран. Более того, мы открыто делимся всей полученной информацией. В отличие от других экспериментаторов, мы выкладываем всю первичную документацию, которую каждый желающий может свободно скачать отсюда и самостоятельно перепроверить полученные нами результаты.

Мы надеемся, что этим шагом начнём добрую научную традицию – свободный доступ к первичным научным данным прямо из опубликованной статьи, без отправки каких либо дополнительных запросов и согласований.

Эти эксперименты мы провели, как уже было выше сказано, на золоте. Также мы провели ряд исследований на других материалах, но об этом будет отдельная статья в нормальном научном журнале.

¹ R. Landauer, IBM Journal of Research and Development 1, 223-231 (1957).
² E. N. Economou and C. M. Soukoulis, Phys. Rev. Lett. 46, 618–621 (1981). P. A. Lee and D. S. Fisher, Phys. Rev. Lett. 47, 882 (1981).
³ Yu. V. Sharvin, Sov. Phys. JETP 31, 655 (1965).
⁴ B. J. van Wees, H. van Houten, C. W. J. Beenakker, J. G. Williamson, L. P. Kouwenhoven, D. van der Marel, and C. T. Foxon, Phys. Rev. Lett. 60, 848–850 (1988).
⁵ D. A. Wharam, T. J. Thornton, R. Newbury, M. Pepper, H. Ahmed, J. E. F. Frost, D. G. Hasko, D. C. Peacock, D. A. Ritchie, and G. A. C. Jones, J. Phys. C: Solid State Phys. 21, L209-L214 (1988).