Fizycy obserwowali stan kwantowy, który teoretyzowali ponad 50 lat temu, łącząc elektrony w sztucznym atomie na nadprzewodniku, tworząc podstawową wersję nadprzewodnictwa. To odkrycie pokazuje zachowanie sparowanych elektronów (bozonów), które mogą współistnieć w tej samej przestrzeni, w przeciwieństwie do pojedynczych elektronów. Ta praca ma implikacje dla lepszego zrozumienia nadprzewodnictwa w nanostrukturach i jego potencjalnego zastosowania w nowoczesnych komputerach kwantowych.
Odkryj sprzężenie elektronów w sztucznych atomach
Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu w Hamburgu zaobserwowali stan kwantowy, który teoretycznie przewidywali japońscy teoretycy ponad 50 lat temu, ale jak dotąd umykał odkryciu. szwem syntetycznym kukurydza Na powierzchni nadprzewodnika naukowcom udało się sparować elektrony tak zwanej kropki kwantowej, tworząc w ten sposób najmniejszą możliwą wersję nadprzewodnika. Praca ukazała się w najnowszym numerze magazynu Natura.
Zachowanie elektronów i nadprzewodnictwo
Elektrony zwykle odpychają się ze względu na swój ujemny ładunek. To zjawisko odpychania odgrywa ważną rolę w kształtowaniu wielu właściwości materiałów, wśród których znajduje się opór elektryczny. Jednak sytuacja zmienia się radykalnie, jeśli elektrony zostaną „sklejone” ze sobą w pary i tym samym staną się bozonami. W przeciwieństwie do samotnych elektronów, które się odpychają, pary bozonów mogą współistnieć w tej samej przestrzeni i wykonywać identyczne ruchy.
Renderowanie 3D niektórych struktur zbudowanych atom po atomie ze srebra (małe wzgórza). Prostokątna i okrągła klatka na litery jest pokazana w lewym górnym kwadrancie obrazu. Źródło: Lucas Schneider
Nadprzewodnictwo to jedna z najciekawszych właściwości materiałów zawierających te pary elektronów – zdolność przepuszczania prądu elektrycznego bez żadnego oporu. Nadprzewodnictwo było przez lata wykorzystywane w wielu zastosowaniach technologicznych, takich jak obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego i bardzo czułe detektory pola magnetycznego. Wraz z postępującą miniaturyzacją urządzeń elektronicznych rośnie zainteresowanie zrozumieniem, jak osiągnąć nadprzewodnictwo w mniejszych, nanoskali Struktury.
Sprzęganie elektronów w sztucznych atomach
Naukowcy z Wydziału Fizyki i Grupy Doskonałości „CUI: Advanced Imaging of Matter” na Uniwersytecie w Hamburgu zrealizowali sprzężenie elektronów w sztucznym atomie zwanym kropką kwantową, najmniejszym budulcem nanostrukturalnych urządzeń elektronicznych. W tym celu eksperymentatorzy, kierowani przez prof. PD Jensa Wiebe z Instytutu Nanostruktur i Fizyki Ciała Stałego, uwięzili elektrony w maleńkich klatkach, które zbudowali ze srebra, atom po atomie.
Łącząc zablokowane elektrony z nadprzewodnikiem elementarnym, elektrony odziedziczyły po nadprzewodniku tendencję do parowania. Wraz z zespołem teoretycznych fizyków mas, kierowanym przez dr Thora Boesky’ego, naukowcy skorelowali sygnaturę eksperymentalną, pik widmowy przy bardzo niskiej energii, ze stanem kwantowym przewidzianym przez Kazushige Machidę na początku lat 70. XX wieku przez Fumiaki Shibata.
Podczas gdy stan jak dotąd wymykał się bezpośredniemu wykryciu metodami eksperymentalnymi, ostatnie badania przeprowadzone przez dwa zespoły z Holandii i Danii pokazują, że jest on przydatny w tłumieniu niepożądanego szumu w transmisjach kubitowych, które są podstawowym budulcem nowoczesnych komputerów kwantowych.
W prywatnym e-mailu Kazushige Machida napisał do pierwszego autora publikacji, dr Lucasa Schneidera: „Dziękuję za 'odkrycie’ mojego starego artykułu pół wieku temu. Przez długi czas myślałem, że niemagnetyczne zanieczyszczenia metalami przejściowymi powodują lukę stan, ale ich lokalizacja jest bardzo blisko krawędzi szczeliny.” nadprzewodnictwo, a zatem niemożliwe jest udowodnienie jego istnienia. Ale dzięki twojej pomysłowej metodzie w końcu zweryfikowałem, że jest eksperymentalnie poprawne.
Odniesienie: „Approximated Superconductivity in Quantum Dots Made Atom-by-Atom” Lukas Schneider, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janice Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger i Jens Wiebe, 16 sierpnia 2023 r., Dostępne tutaj. Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0
