Perfekt kvanteportal dukker op ved eksotisk interface

Forskere ved University of Maryland har indsamlet de hidtil mest direkte beviser for en kvanteskævhed, der tillader partikler at tunnelere gennem en barriere, som om den ikke engang er der. Resultatet, fremhævet på forsiden af ​​20. juni, 2019 nummer af journalen Natur , kan sætte ingeniører i stand til at designe mere ensartede komponenter til fremtidige kvantecomputere, kvantesensorer og andre enheder.

Det nye eksperiment er en observation af Klein tunneling, et specielt tilfælde af et mere almindeligt kvantefænomen. I kvanteverdenen, tunneling tillader partikler som elektroner at passere gennem en barriere, selvom de ikke har nok energi til faktisk at klatre over den. En højere barriere gør dette normalt hårdere og lader færre partikler igennem.

Klein tunneling opstår, når barrieren bliver helt gennemsigtig, åbner en portal, som partikler kan krydse uanset barrieres højde. Forskere og ingeniører fra UMD's Center for Nanophysics and Advanced Materials (CNAM), Joint Quantum Institute (JQI) og Condensed Matter Theory Center (CMTC), med ansættelser i UMDs Institut for Materialevidenskab og Teknik og Institut for Fysik, har foretaget de mest overbevisende målinger endnu af effekten.

"Klein tunneling var oprindeligt en relativistisk effekt, første gang forudsagt for næsten hundrede år siden, "siger Ichiro Takeuchi, en professor i materialevidenskab og teknik (MSE) ved UMD og seniorforfatteren af ​​det nye studie. "Indtil for nylig, selvom, du kunne ikke observere det. "

Det var næsten umuligt at indsamle beviser for Klein-tunnellering, hvor det først blev forudsagt-verdenen af ​​kvantenpartikler med høj energi, der bevæger sig tæt på lysets hastighed. Men i de sidste mange årtier har forskere har opdaget, at nogle af reglerne for hurtige kvantepartikler også gælder for de forholdsvis langsomme partikler, der bevæger sig nær overfladen af ​​nogle usædvanlige materialer.

Et sådant materiale - som forskere brugte i den nye undersøgelse - er samariumhexaborid (SmB6), et stof, der bliver en topologisk isolator ved lave temperaturer. I en normal isolator som træ, gummi eller luft, elektroner er fanget, ikke i stand til at bevæge sig, selv når der spændes. Dermed, i modsætning til deres frit roaming kammerater i en metaltråd, elektroner i en isolator kan ikke lede en strøm.

Topologiske isolatorer som SmB6 opfører sig som hybridmaterialer. Ved lave nok temperaturer, interiøret i SmB6 er en isolator, men overfladen er metallisk og giver elektroner en vis frihed til at bevæge sig rundt. Derudover retningen, som elektronerne bevæger sig, bliver låst til en iboende kvanteegenskab kaldet spin, der kan orienteres op eller ned. Elektroner, der bevæger sig til højre, vil altid have deres spin pegende opad, for eksempel, og elektroner, der bevæger sig til venstre, får deres spin til at pege nedad.

Den metalliske overflade af SmB6 ville ikke have været nok til at se Klein -tunneller, selvom. Det viste sig, at Takeuchi og kolleger havde brug for at omdanne overfladen af ​​SmB6 til en superleder - et materiale, der kan lede elektrisk strøm uden modstand.

For at gøre SmB6 til en superleder, de lagde en tynd film deraf oven på et lag yttriumhexaborid (YB6). Da hele samlingen var afkølet til blot et par grader over absolut nul, YB6 blev en superleder og, på grund af dens nærhed, den metalliske overflade af SmB6 blev en superleder, også.

Det var et "stykke serendipitet", at SmB6 og dets yttrium-byttede slægtning delte den samme krystalstruktur, siger Johnpierre Paglione, professor i fysik ved UMD, direktør for CNAM og medforfatter af forskningsartiklen. "Imidlertid, det tværfaglige team, vi har, var en af ​​nøglerne til denne succes. Har eksperter i topologisk fysik, tyndfilmsyntese, spektroskopi og teoretisk forståelse fik os virkelig til dette punkt, "Tilføjer Paglione.

Kombinationen viste sig at være den rigtige blanding til at observere Klein -tunneling. Ved at bringe en lille metalspids i kontakt med toppen af ​​SmB6, holdet målte transporten af ​​elektroner fra spidsen til superlederen. De observerede en perfekt fordoblet konduktans - et mål for, hvordan strømmen gennem et materiale ændres, når spændingen over det varieres.

"Da vi først så fordoblingen, Jeg troede ikke på det, "Takeuchi siger." Tross alt, det er en usædvanlig observation, så jeg bad min postdoc Seunghun Lee og forsker Xiaohang Zhang om at gå tilbage og lave forsøget igen. "

Da Takeuchi og hans eksperimentelle kolleger overbeviste sig selv om, at målingerne var korrekte, de forstod ikke oprindeligt kilden til den dobbelte konduktans. Så de begyndte at søge efter en forklaring. UMD's Victor Galitski, en JQI -stipendiat, professor i fysik og medlem af CMTC, foreslog, at Klein tunneling kunne være involveret.

"Først, det var bare en anelse, "Galitski siger." Men med tiden blev vi mere overbeviste om, at Klein -scenariet faktisk kan være den bagvedliggende årsag til observationerne. "

Valentin Stanev, en associeret forsker i MSE og en forsker ved JQI, tog Galitskis anelse og udarbejdede en omhyggelig teori om, hvordan Klein -tunnellering kunne opstå i SmB6 -systemet - i sidste ende kom forudsigelser, der matchede de eksperimentelle data godt.

Teorien foreslog, at Klein tunneling manifesterer sig i dette system som en perfekt form for Andreev -refleksion, en effekt til stede ved hver grænse mellem et metal og en superleder. Andreev -refleksion kan forekomme, når en elektron fra metallet hopper på en superleder. Inde i superlederen, elektroner er tvunget til at leve i par, så når en elektron hopper på, det henter en kammerat.

For at balancere den elektriske ladning før og efter hop, en partikel med den modsatte ladning - som forskere kalder et hul - skal reflektere tilbage i metallet. Dette er kendetegnende for Andreev -refleksion:en elektron går ind, et hul kommer ud igen. Og da et hul, der bevæger sig i en retning, bærer den samme strøm som en elektron, der bevæger sig i den modsatte retning, hele denne proces fordobler den samlede konduktans - signaturen af ​​Klein -tunneling gennem et kryds mellem et metal og en topologisk superleder.

I konventionelle kryds mellem et metal og en superleder, der er altid nogle elektroner, der ikke gør humlen. De spreder grænsen, reducere mængden af ​​Andreev refleksion og forhindre en nøjagtig fordobling af konduktansen.

Men fordi elektronerne i overfladen af ​​SmB6 har deres bevægelsesretning bundet til deres spin, elektroner nær grænsen kan ikke hoppe tilbage - hvilket betyder, at de altid vil passere direkte ind i superlederen.

"Klein -tunneling var også set i grafen, "Takeuchi siger." Men her, fordi det er en superleder, Jeg vil sige, at effekten er mere spektakulær. Du får denne præcise fordobling og en fuldstændig annullering af spredningen, og der er ingen analog af det i grafenforsøget. "

Kryds mellem superledere og andre materialer er ingredienser i nogle foreslåede kvantecomputerarkitekturer, såvel som i præcisionssensorer. Fordommen ved disse komponenter har altid været, at hvert kryds er lidt anderledes, Takeuchi siger, kræver endeløs tuning og kalibrering for at opnå den bedste ydeevne. Men med Klein -tunneling i SmB6, forskere kan endelig have en modgift mod denne uregelmæssighed.

"Inden for elektronik, spredning fra enhed til enhed er fjenden nummer et, "Takeuchi siger." Her er et fænomen, der slipper af med variationen. "

Forskningspapiret, "Perfekt Andreev -refleksion på grund af Klein -paradokset i en topologisk superledende tilstand, "Seunghun Lee, Valentin Stanev, Xiaohang Zhang, Drew Stasak, Jack Flowers, Joshua S. Higgins, Sheng Dai, Thomas Blum, Xiaoqing Pan, Victor M. Yakovenko, Johnpierre Paglione, Richard L. Greene, Victor Galitski, og Ichiro Takeuchi, blev offentliggjort i tidsskriftet Natur den 20. juni, 2019.