Forskere måler en signatur af superledende interferens på atomær skala

Superledere, materialer, der kan lede elektricitet uden modstand ved lave temperaturer, har mange interessante og fordelagtige egenskaber. I de senere år har fysikere og dataloger undersøgt deres potentiale for forskellige applikationer, herunder kvantecomputerteknologi.

Magnetiske urenheder koblet til en superleder kan producere såkaldte Yu-Shiba-Rusinov (YSR) tilstande inde i det superledende mellemrum. Når koblingen af ​​disse urenheder til superlederne øges, gennemgår YSR-tilstanden en kvantefaseovergang, hvilket får materialets grundtilstand til at ændre sig. Mens mange fysikere har undersøgt YSR-tilstande og deres kvantefaseovergang i løbet af de sidste par år, er deres effekt på superlederes grundtilstand stadig dårligt forstået.

Forskere ved Max Planck Institute for Solid State Research, Ulm University, German Aerospace Center (DLR), Uppsala Universitet og det autonome universitet i Madrid har for nylig udført en undersøgelse, der har til formål at indsamle ny indsigt om grundtilstandsændringer forbundet med YSR-stater. Deres undersøgelse, omtalt i Nature Physics , førte til den detaljerede observation af en ændring i den såkaldte Josephson-strøm som en signatur af YSR-statens faseovergang.

"Mens YSR-tilstande er blevet grundigt undersøgt i løbet af de seneste år, og der er indirekte indikationer på, at YSR-tilstanden gennemgår en kvantefaseovergang, har en direkte indikation af, hvordan grundtilstandsændringerne manglet," Christian Ast, en af ​​forskerne, der udførte ud af undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Grundlæggende kunne kvantefaseovergangen observeres, men det var aldrig helt klart på hvilken side af kvantefaseovergangen man var. Hvis udvekslingskoblingen er svag, er urenhedsspinningen fri (YSR-tilstanden er tom i grundtilstanden ) og hvis udvekslingskoblingen er stærk, screenes urenhedsspindet ved at indtage YSR-tilstanden i grundtilstanden."

Når de kobles til superledere, skaber spins i kvanteprikker, hvad der er kendt som en p-Josephson-junction, en vending i materialets superstrøm, der kan observeres ved at måle Josephson-strømmen, også kendt som superstrøm eller Cooper-parstrøm. Ast og hans kolleger satte sig således for at måle Josephson-strømmen gennem en YSR-tilstand og på tværs af denne tilstands kvantefaseovergang.

"Josephson-strømmen kan fortælle os, på hvilken side af kvantefaseovergangen YSR-tilstanden er," forklarede Ast.

For det første brugte forskerne et mK-STM, et scanningstunnelmikroskop, der fungerer ved en basistemperatur på 10mK, til lokalt at måle en enkelt urenhed med en YSR-tilstand i deres prøve. Deres eksperimenter blev udført på Max Planck Institute for Solid State Researchs Precision Lab, som er vært for mK-STM.

"For at observere superstrømmens vending var vi nødt til at bruge en meget vanskelig detalje," sagde Ast. "Superstrømsvendingen skyldes et faseskift på tværs af tunnelkrydset. For at være præcist skifter faseforskydningen med p, dvs. 180 grader, hvilket svarer til et fortegnsskifte, hvorfor disse kryds er omtalt som p-kryds. og jeg gætter på, at denne tegnændring opfandt udtrykket 'overstrømsvending'."

Faseændringer som dem, Ast og hans kolleger har undersøgt, er meget vanskelige at opdage eksperimentelt. Detektering af disse ændringer kræver typisk et andet tunnelkryds, der kan bruges som referencekryds. Hidtil har de fleste forskere opdaget faseændringer ved hjælp af det, der er kendt som en superledende kvanteinterferensanordning (SQUID).

SQUID'er er meget følsomme enheder, der kan detektere og måle subtile magnetiske felter, strømme, spændinger eller forskydninger. Disse enheder er baseret på Josephson-effekten, og de måler ændringer i Josephson-strømme.

"Vi har efterlignet en sådan enhed ved at udnytte en anden transportkanal i vores tunnelkryds, som fungerer som et referencekryds," sagde Ast. "Som et resultat ser vi konstruktiv interferens på den ene side af kvantefaseovergangen og destruktiv interferens mellem de to kanaler på den anden side, hvilket manifesterer sig i en ændring i størrelsen af ​​Josephson-strømmen."

Under deres undersøgelse introducerede Ast og hans kolleger, hvad der kunne beskrives som den mindste SQUID-enhed, der er udviklet hidtil. Ved hjælp af denne enhed detekterede de 0-p-overgangen i YSR-tilstanden produceret af en magnetisk urenhed inde i en halvleder.

"Den største forskel mellem en konventionel SQUID og vores enhed er, at vi ikke har en superledende sløjfe, hvorigennem vi kan passere et magnetfelt for at indstille fasen," forklarede Ast. Derfor kan vi kun registrere et tegnskifte, som er ganske nok til vores formål. Med vores enhed detekterede vi med succes faseændringen i 0-p overgangen af ​​YSR-tilstanden på tværs af kvantefaseovergangen."

Denne ændring i Josephson-strømmen målt af dette team af forskere er en klar signatur på en ændring i grundtilstanden produceret af YSR-tilstanden under dens kvantefaseovergang. Ast og hans kolleger var i stand til at opdage denne ændring ved at udnytte interferensen mellem to tunnelkanaler i Josephson-effekten for allerførste gang og dermed bruge deres "miniature" SQUID som en sensor.

I deres næste undersøgelser håber forskerne at samle ny indsigt om faseændringer i superledere ved hjælp af sensoren introduceret i deres papir og andre nye enheder. I sidste ende er deres mission at afsløre nye kvantegrænser ved at reducere systemer til deres absolutte minimum, undertrykke deres interaktioner og skrumpe dem til atomniveau.

"Fysikken i disse systemer kan modelleres af forholdsvis simple teorier, hvilket gør resultatet smukt," tilføjede Ast. "Dette arbejde er en milepæl i denne søgen efter nye kvantegrænser. Bortset fra dette generelle mål søger vi at udnytte denne nyopdagede fasefølsomhed i de funktionaliserede YSR tips til at opdage andre eksotiske fænomener." + Udforsk yderligere

Fordobling af Cooper-par for at beskytte qubits i kvantecomputere mod støj

© 2022 Science X Network