Fizicienii confirmă starea cuantică prezisă acum mai bine de 50 de ani

Fizicienii au observat o stare cuantică, teoretizată acum mai bine de 50 de ani, prin împerecherea electronilor dintr-un atom artificial pe un supraconductor, creând o versiune de bază a supraconductivității. Această descoperire arată comportamentul electronilor perechi (bosoni) care pot coexista în același spațiu, spre deosebire de electronii unici. Această lucrare are implicații pentru îmbunătățirea înțelegerii supraconductivității în nanostructuri și aplicarea sa potențială în calculatoarele cuantice moderne.

Descoperiți cuplarea electronilor în atomi artificiali

Cercetătorii de la Departamentul de Fizică al Universității din Hamburg au observat o stare cuantică care a fost prezisă teoretic de teoreticienii japonezi în urmă cu mai bine de 50 de ani, dar până acum a ocolit descoperirea. prin sutură sintetică porumb Pe suprafața unui supraconductor, cercetătorii au reușit să împerecheze electronii unui așa-numit punct cuantic, creând astfel cea mai mică versiune posibilă a supraconductorului. Lucrarea apare în ultimul număr al revistei natură.

Comportarea electronilor și supraconductivitate

De obicei, electronii se resping reciproc datorită sarcinii lor negative. Acest fenomen de repulsie joacă un rol important în influențarea multor proprietăți ale materialelor, dintre care una este rezistența electrică. Situația se schimbă însă radical dacă electronii sunt „lipiți” împreună în perechi și astfel devin bozoni. Spre deosebire de electronii singuri care se resping reciproc, perechile de bosoni pot coexista în același spațiu și pot efectua mișcări identice.

Redare 3D a unora dintre structurile construite atom cu atom din argint (dealuri). O cușcă de litere dreptunghiulară și circulară este afișată în cadranul din stânga sus al imaginii. Credit: Lucas Schneider

Supraconductivitatea este una dintre cele mai interesante proprietăți ale materialelor care conțin aceste perechi de electroni – capacitatea de a permite trecerea curentului electric fără nicio rezistență. Supraconductivitatea a fost valorificată pentru multe aplicații tehnologice de-a lungul anilor, cum ar fi imagistica prin rezonanță magnetică și detectoare de câmp magnetic foarte sensibile. Odată cu miniaturizarea continuă a dispozitivelor electronice, există un interes din ce în ce mai mare pentru înțelegerea modului de a obține supraconductivitate în mai mici, la scară nanometrică structurilor.

Cuplarea electronilor în atomi artificiali

Cercetătorii de la Departamentul de Fizică și Grupul de Excelență „CUI: Advanced Imaging of Matter” de la Universitatea din Hamburg au realizat cuplarea electronilor într-un atom artificial numit punct cuantic, cel mai mic bloc de construcție pentru dispozitive electronice nanostructurate. În acest scop, experimentatorii, conduși de prof. PD Jens Wiebe de la Institutul pentru Nanostructură și Fizica Solidelor, au prins electroni în cuști minuscule pe care le-au construit din argint, atom cu atom.

Prin cuplarea electronilor blocați la un supraconductor elementar, electronii au moștenit tendința de împerechere de la supraconductor. Împreună cu o echipă de fizicieni de masă teoreticieni, condusă de Dr. Thor Buskey, cercetătorii au corelat semnătura experimentală, un vârf spectral la o energie foarte scăzută, cu starea cuantică prezisă de Kazushige Machida la începutul anilor 1970 de Fumiaki Shibata.

În timp ce statul a eludat până acum detectarea directă prin metode experimentale, cercetări recente ale două echipe din Olanda și Danemarca arată că este util în suprimarea zgomotului nedorit în qubiții de transmoment, o piatră esențială a calculatoarelor cuantice moderne.

Într-un e-mail privat, Kazushige Machida i-a scris primului autor al publicației, dr. Lucas Schneider: „Vă mulțumesc că ați „descoperit” vechea mea lucrare în urmă cu jumătate de secol. Am crezut mult timp că impuritățile nemagnetice ale metalelor de tranziție produc decalajul. stare, dar locația lor este foarte aproape de marginea decalajului.” supraconductoare și, prin urmare, este imposibil să-i dovedești existența. Dar prin metoda ta ingenioasă am verificat în sfârșit că este valabilă empiric.”

Referință: „Supraconductivitate aproximativă în puncte cuantice realizate atom-cu-atom” de Lukas Schneider, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janice Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger și Jens Wiebe, 16 august 2023, disponibil aici. natură.
DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0