Переход от двух к трем измерениям может оказать существенное влияние на поведение системы, будь то сворачивание листа бумаги в бумажный самолетик или скручивание проволоки в спиральную пружину. На наноуровне, в тысячу раз меньшем, чем человеческий волос, можно приблизиться к фундаментальным масштабам длины, например, квантовых материалов. При таких масштабах длины построение наногеометрии может привести к изменениям в самих свойствах материала - и когда мы переходим к трехмерности, появляются новые способы адаптации функциональных возможностей путем нарушения симметрии, введения кривизны и создания взаимосвязанных каналов.

Несмотря на эти захватывающие перспективы, остается одна из главных проблем: как реализовать такие сложные трехмерные геометрии на наноуровне в квантовых материалах? В новом исследовании международная команда, возглавляемая исследователями из Института химической физики твердых тел Макса Планка, создала трехмерные сверхпроводящие наноструктуры, используя технологию, аналогичную нано-3D-принтеру. Они добились локального контроля сверхпроводящего состояния в трехмерном мостовидном сверхпроводнике и даже смогли продемонстрировать движение сверхпроводящих вихрей - наноразмерных дефектов в сверхпроводящем состоянии - в трех измерениях. Работа была опубликована в журнале Advanced Functional Materials.

Сверхпроводники - это материалы, которые известны своей способностью проявлять нулевое электрическое сопротивление и рассеивать магнитные поля. Это поразительное поведение возникает в результате образования так называемых куперовских пар: связанных пар электронов, которые когерентно перемещаются по материалу без рассеяния.

"Одна из главных задач заключается в получении контроля над этим сверхпроводящим состоянием на наноуровне, что является ключевым для изучения новых эффектов и будущего развития технологических устройств", - объясняет Элина Жакина, научный сотрудник MPI-CPfS и первый автор исследования.

При моделировании сверхпроводников в 3D-наногеометрии международная команда, включающая исследователей из Германии (MPI CPfS, IFW) и Австрии (TU Wien, Венский университет), смогла локально управлять состоянием сверхпроводимости, то есть "выключать" сверхпроводимость в различных частях наноструктуры. Такое сосуществование сверхпроводящего и "нормального" состояний может привести к квантово-механическим эффектам, таким как так называемые слабые связи, используемые, например, для сверхчувствительного зондирования. Однако до сих пор такой контроль обычно требовал проектирования структур, например, в плоских тонких пленках, где сосуществование состояний предопределено.

"Мы обнаружили, что можно включать и выключать сверхпроводящее состояние в разных частях трехмерной наноструктуры, просто вращая структуру в магнитном поле", - сказала Клэр Доннелли, руководитель группы Лиз Мейтнер в MPI-CPfS и последний автор работы. "Таким образом, мы смогли реализовать "реконфигурируемое" сверхпроводящее устройство!".

Эта реализация реконфигурируемой функциональности предлагает новую платформу для создания адаптивных или многоцелевых сверхпроводящих компонентов. Это, наряду со способностью распространять дефекты сверхпроводящего состояния, открывает двери для сложной сверхпроводящей логики и нейроморфных архитектур, подготавливая почву для нового поколения реконфигурируемых сверхпроводящих технологий.