Дослідники з факультету фізики Університету Гамбурга спостерігали квантовий стан, який було теоретично передбачено більше 50 років тому японськими теоретиками, але дотепер вислизало від виявлення.
Створивши штучний атом на поверхні надпровідника, дослідникам вдалося спарити електрони так званої квантової точки. Таким чином вони створили найменшу можливу версію надпровідника. Результати дослідження опубліковані в журналі Nature.
Як завжди поводяться електрони?
Зазвичай електрони відштовхують один одного через свій негативний заряд. Це явище має великий вплив на багато властивостей матеріалів, наприклад, електричний опір. Але ситуація кардинально змінюється, якщо електрони «склеюються» в пари, стаючи бозонами. Бозонні пари не уникають один одного, як окремі електрони. Однак багато хто з них можуть перебувати в одному і тому ж місці або здійснювати один і той же рух.
Найважливіша властивість
Однією з найбільш інтригуючих властивостей матеріалу з такими електронними парами є надпровідність. Це здатність пропускати електричний струм через матеріал без будь-якого електричного опору.
Протягом багатьох років надпровідність використовували для безлічі важливих технологій, включаючи магнітно-резонансну томографію або високочутливі детектори магнітних полів.
Атом водню з магнітним квантовим числом m = 6. Зображення в: Wikimedia Commons
Сьогодні постійне зменшення масштабів електронних пристроїв в значній мірі стимулює дослідження того, як надпровідність може бути викликана в набагато менших структурах на нанорівні.
Що зробили вчені?
Дослідники з факультету фізики і кластера передового досвіду «CUI: Advanced Imaging of Matter» Гамбурзького університету створили спарювання електронів в штучному атомі, — квантовій точці. Це найменший будівельний блок для наноструктурованих електронних пристроїв.
3D-вид деяких структур, побудованих атом за атомом зі срібла (невеликі горбки).
Прямокутна і кругла електронна клітина видно у верхній лівій чверті зображення.
Зображення: Лукас Шнайдер
З цією метою дослідники під керівництвом доктора Йенса Вібе з Інституту наноструктур і фізики твердого тіла замкнули електрони в крихітних клітинах, які вони побудували зі срібла, атом за атомом. Поєднавши замкнені електрони з елементарним надпровідником, електрони успадкували тенденцію до спарювання від надпровідника.
Разом з командою фізиків-теоретиків кластера на чолі з доктором Торі Посске дослідники зв’язали експериментальну сигнатуру, спектроскопічний пік при дуже низькій енергії, з квантовим станом, передбаченим на початку 1970-х років Кадзусіге Мачіда і Фуміакі Сібата.
Чому це так важливо?
Хоча цей стан досі вислизав від прямого виявлення експериментальними методами, недавні роботи дослідників з Нідерландів і Данії показують, що воно корисно для придушення небажаного шуму в трансмон-кубітах, важливому будівельному блоці сучасних квантових комп’ютерів.
Quantum Physics. Original public domain image from Wikimedia Commons
Казусіге Мачіда написав першому автору публікації, доктору Лукасу Шнайдеру: