Atomisk skala vindue til superledning baner vejen for nye kvantematerialer

I en undersøgelse offentliggjort i Nano Letters , har forskere demonstreret en ny teknik til at måle kvanteexcitationerne i superledende materialer med atomær præcision for første gang. At opdage disse excitationer er et vigtigt skridt i retning af at forstå eksotiske superledere, som kunne hjælpe os med at forbedre kvantecomputere og måske endda bane vejen mod stuetemperatur superledere.

Superledere er materialer uden nogen som helst elektrisk modstand, der normalt kræver ekstremt lave temperaturer. De bruges i en bred vifte af domæner, fra medicinske applikationer til en central rolle i kvantecomputere. Superledning er forårsaget af specielt forbundne elektronpar kendt som Cooper-par. Hidtil er forekomsten af ​​Cooper-par blevet målt indirekte makroskopisk i bulk, men en ny teknik udviklet af forskere ved Aalto University og Oak Ridge National Laboratories i USA kan detektere deres forekomst med atomær præcision.

Eksperimenterne blev udført af Wonhee Ko og Petro Maksymovych ved Oak Ridge National Laboratory med teoretisk støtte fra professor Jose Lado fra Aalto University. Elektroner kan "kvantetunnel" på tværs af energibarrierer og springe fra et system til et andet gennem rummet på en måde, der ikke kan forklares med klassisk fysik. For eksempel, hvis en elektron parrer sig med en anden elektron lige ved det punkt, hvor et metal og en superleder mødes, kan den danne et Cooper-par, der kommer ind i superlederen, mens den også "sparker tilbage" en anden slags partikel ind i metallet i en proces kendt som Andreev afspejling. Forskerne ledte efter disse Andreev-refleksioner for at opdage Cooper-par.

For at gøre dette målte de den elektriske strøm mellem en atomisk skarp metallisk spids og en superleder, samt hvordan strømmen afhang af adskillelsen mellem spidsen og superlederen. Dette gjorde det muligt for dem at detektere mængden af ​​Andreev-refleksion, der går tilbage til superlederen, mens de bibeholdt en billedopløsning, der kan sammenlignes med individuelle atomer. Resultaterne af eksperimentet svarede nøjagtigt til Lados teoretiske model.

Denne eksperimentelle påvisning af Cooper-par på atomær skala giver en helt ny metode til at forstå kvantematerialer. For første gang kan forskere entydigt bestemme, hvordan Cooper-parrenes bølgefunktioner rekonstrueres på atomær skala, og hvordan de interagerer med urenheder i atomær skala og andre forhindringer.

"Denne teknik etablerer en kritisk ny metode til at forstå den interne kvantestruktur af eksotiske typer superledere kendt som ukonventionelle superledere, hvilket potentielt giver os mulighed for at tackle en række åbne problemer i kvantematerialer," siger Lado. Ukonventionelle superledere er en potentiel grundlæggende byggesten til kvantecomputere og kunne udgøre en platform til at realisere superledning ved stuetemperatur. Cooper-par har unikke interne strukturer i ukonventionelle superledere, som hidtil har været udfordrende at forstå.

Denne opdagelse giver mulighed for direkte sondering af tilstanden af ​​Cooper-par i ukonventionelle superledere, hvilket etablerer en kritisk ny teknik for en hel familie af kvantematerialer. Det repræsenterer et stort skridt fremad i vores forståelse af kvantematerialer og hjælper med at skubbe arbejdet med at udvikle kvanteteknologier frem. + Udforsk yderligere

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