Исследователи с факультета физики Университета Гамбурга наблюдали квантовое состояние, которое было теоретически предсказано более 50 лет назад японскими теоретиками, но до сих пор ускользало от обнаружения. «Хайтек» рассказывает, как это удалось и почему важно.
Создав искусственный атом на поверхности сверхпроводника, исследователям удалось спарить электроны так называемой квантовой точки. Таким образом они создали наименьшую возможную версию сверхпроводника. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Как обычно себя ведут эклектроны?
Обычно электроны отталкивают друг друга из-за своего отрицательного заряда. Это явление оказывает огромное влияние на многие свойства материалов, например, электрическое сопротивление. Но ситуация кардинально меняется, если электроны «склеиваются» в пары, становясь бозонами. Бозонные пары не избегают друг друга, как отдельные электроны. Однако многие из них могут находиться в одном и том же месте или совершать одно и то же движение.
Самое важное свойство
Одним из наиболее интригующих свойств материала с такими электронными парами является сверхпроводимость. Это способность пропускать электрический ток через материал без какого-либо электрического сопротивления.
На протяжении многих лет сверхпроводимость использовали для множества важных технологий, включая магнитно-резонансную томографию или высокочувствительные детекторы магнитных полей.
Сегодня постоянное уменьшение масштабов электронных устройств в значительной степени стимулирует исследования того, как сверхпроводимость может быть вызвана в гораздо меньших структурах на наноуровне.
Что сделали ученые?
Исследователи из факультета физики и кластера передового опыта «CUI: Advanced Imaging of Matter» Гамбургского университета создали спаривание электронов в искусственном атоме, — квантовой точке. Это наименьший строительный блок для наноструктурированных электронных устройств.
Прямоугольная и круглая электронная клетка видны в верхней левой четверти изображения.
Изображение: Лукас Шнайдер
С этой целью исследователи под руководством доктора Йенса Вибе из Института наноструктур и физики твердого тела заперли электроны в крошечных клетках, которые они построили из серебра, атом за атомом. Соединив запертые электроны с элементарным сверхпроводником, электроны унаследовали тенденцию к спариванию от сверхпроводника.
Вместе с командой физиков-теоретиков Кластера во главе с доктором Торе Посске исследователи связали экспериментальную сигнатуру, спектроскопический пик при очень низкой энергии, с квантовым состоянием, предсказанным в начале 1970-х годов Кадзусигэ Мачида и Фумиаки Сибата.
Почему это так важно?
Хотя это состояние до сих пор ускользало от прямого обнаружения экспериментальными методами, недавние работы исследователей из Нидерландов и Дании показывают, что оно полезно для подавления нежелательного шума в трансмон-кубитах, важном строительном блоке современных квантовых компьютеров.
Казусигэ Мачида написал первому автору публикации, доктору Лукасу Шнайдеру: «Я благодарю вас за то, что вы «открыли» мою старую работу полвека назад. Я долгое время думал, что немагнитные примеси переходных металлов создают -щелевое состояние, но оно расположено так близко к краю сверхпроводящей щели, [что] невозможно доказать его существование. Но своим гениальным методом вы наконец проверили его истинность экспериментально».
Читать далее:
Физики объяснили необычные свойства «странных металлов»
Ученые генетически отредактировали свиные почки и пересадили их человеку
Физики наблюдали спаривание электронов: этот эффект был предсказан более полувека назад
Обложка: UCL Mathematical & Physical Sciences / flickr.com