Kvantemekaniske molekyler spottet i superledende enheder

Elektroniske tilstande, der ligner molekyler og er lovende til brug i fremtidige kvantecomputere, er blevet skabt i superledende kredsløb af fysikere på RIKEN.

Den mest åbenlyse fordel ved superlederes materialer, der ikke giver nogen elektrisk modstand mod strømmen af ​​elektroner i elektroniske kredsløb, er, at de ikke producerer nogen spildende opvarmning, hvilket begrænser energieffektiviteten af ​​konventionelle kredsløb.

Men de har også en anden stor fordel. Superledning opstår på grund af kvantemekaniske interaktioner mellem elektroner. Disse eksotiske effekter kunne udnyttes i enheder og give dem en bred vifte af funktioner, der ikke er tilgængelige i konventionelle enheder.

Nu har Sadashige Matsuo fra RIKEN Center for Emergent Matter Science og kolleger undersøgt netop en sådan effekt. Kendt som et Andreev-molekyle, kan det bruges til kvanteinformationsteknologier i fremtidige kvantecomputere. Artiklen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Den grundlæggende byggesten i superledende kredsløb er Josephson-forbindelsen:en enhed fremstillet ved at klemme et normalt materiale mellem to superledere, som kan styre strømmen af ​​superstrømmen.

Hvor det normale materiale har grænseflader med superlederne, reflekteres en elektron i det normale materiale som et hul, og et par elektroner genereres i superlederen. Denne refleksion danner bundne tilstande i det normale materiale i Josephson-forbindelsen, såkaldte Andreev-bundne tilstande.

Hvis to Josephson-forbindelser er tæt nok på, kan de danne et Andreev-molekyle ved at linke til hinanden. Matsuo og hans medarbejdere fokuserede på de to Josephson-forbindelser, der delte en kort superledende elektrode. I strukturen forventes de Andreev-bundne tilstande i de forskellige junctions at linke til hinanden gennem den delte elektrode.

"Når disse Andreev-molekyler eksisterer, kan et Josephson-kryds styre et andet Josephson-kryds," forklarer Matsuo. "Og så opstår eksotiske og nyttige superledende transportfænomener, såsom Josephson-diodeeffekten - en effekt, der kan føre til mindre dissipative ensrettere i superledende kredsløb."

Matsuo og hans medarbejdere lavede to Josephson-kryds med et tyndt lag indiumarsenid. De koblede dem derefter sammen gennem en fælles superledende elektrode lavet af aluminium, som er superledende ved meget lave temperaturer.

Holdet studerede de elektroniske egenskaber af denne struktur ved at måle tunnelstrømmen til krydsene ved forskellige påførte spændinger og magnetiske feltstyrker, en teknik kaldet tunnelspektroskopi. Dette satte dem i stand til at observere energiniveauerne i Josephson-forbindelserne svarende til Andreev-molekyler.

"Forskere havde tidligere rapporteret den spektroskopiske karakterisering af Andreev-molekyler i de forskellige enhedsstrukturer," siger Matsuo. "Men det er nu lykkedes os at observere dem i koblede Josephson-kryds og demonstrere deres kontrollerbarhed for første gang.

"Vores arbejde giver grundlæggende information om Andreev-molekylet. Og det vil bane vejen for udvikling af eksotiske superledende transportfænomener i koblede Josephson-kryds i fremtiden."

Flere oplysninger: Sadashige Matsuo et al., Faseafhængige Andreev-molekyler og superledende kløft, der lukker i kohærent koblede Josephson-forbindelser, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44111-3

Leveret af RIKEN