Fyzici potvrzují kvantový stav předpovídaný před více než 50 lety

Fyzici pozorovali kvantový stav, teoretizovaný před více než 50 lety, párováním elektronů v umělém atomu na supravodiči, čímž vznikla základní verze supravodivosti. Tento objev ukazuje chování párových elektronů (bosonů), které mohou koexistovat ve stejném prostoru, na rozdíl od jednotlivých elektronů. Tato práce má důsledky pro další porozumění supravodivosti v nanostrukturách a její potenciální aplikaci v moderních kvantových počítačích.

Objevte vazbu elektronů v umělých atomech

Vědci z katedry fyziky Hamburkské univerzity pozorovali kvantový stav, který byl teoreticky předpovězen japonskými teoretiky před více než 50 lety, ale dosud unikal objevu. syntetickým stehem kukuřice Na povrchu supravodiče se vědcům podařilo spárovat elektrony takzvané kvantové tečky a vytvořit tak nejmenší možnou verzi supravodiče. Práce se objevuje v posledním čísle časopisu Příroda.

Chování elektronů a supravodivost

Elektrony se obvykle vzájemně odpuzují kvůli jejich zápornému náboji. Tento jev odpuzování hraje důležitou roli při ovlivňování mnoha vlastností materiálů, mezi které patří elektrický odpor. Situace se však radikálně změní, pokud se elektrony „slepí“ po párech a stanou se tak bosony. Na rozdíl od osamělých elektronů, které se navzájem odpuzují, mohou bosonové páry koexistovat ve stejném prostoru a vykonávat identické pohyby.

3D vykreslování některých struktur postavených atom po atomu ze stříbra (malé kopce). V levém horním kvadrantu obrázku je zobrazena obdélníková a kruhová klec s písmeny. Kredit: Lucas Schneider

Supravodivost je jednou z nejzajímavějších vlastností materiálů obsahujících tyto páry elektronů – schopnost umožnit průchod elektrického proudu bez jakéhokoli odporu. Supravodivost byla v průběhu let využita pro mnoho technologických aplikací, jako je zobrazování magnetickou rezonancí a vysoce citlivé detektory magnetického pole. S pokračující miniaturizací elektronických zařízení roste zájem o pochopení toho, jak dosáhnout supravodivosti v menších, nanoměřítku struktur.

Vazba elektronů v umělých atomech

Vědci z Katedry fyziky a Excellence Group „CUI: Advanced Imaging of Matter“ na univerzitě v Hamburku si uvědomili spojení elektronů v umělém atomu zvaném kvantová tečka, nejmenším stavebním bloku pro nanostrukturní elektronická zařízení. Za tímto účelem experimentátoři, vedení PD Prof. Jensem Wiebem z Ústavu pro nanostrukturu a fyziku pevných látek, uvěznili elektrony v malých klecích, které postavili ze stříbra, atom po atomu.

Spojením uzamčených elektronů s elementárním supravodičem zdědily elektrony tendenci k párování ze supravodiče. Spolu s týmem teoretických masových fyziků, vedeným Dr. Thorem Boeskym, výzkumníci spojili experimentální podpis, spektrální vrchol při velmi nízké energii, s kvantovým stavem, který předpověděl Kazushige Machida na počátku 70. let Fumiaki Shibata.

Zatímco stát dosud přímé detekci experimentálními metodami unikal, nedávný výzkum dvou týmů z Nizozemska a Dánska ukazuje, že je užitečný při potlačování nežádoucího šumu v transmomentových qubitech, základním stavebním bloku moderních kvantových počítačů.

V soukromém e-mailu napsal Kazushige Machida prvnímu autorovi publikace, Dr. Lucasovi Schneiderovi: „Děkuji vám, že jste před půl stoletím objevili můj starý papír. Dlouho jsem si myslel, že mezeru vytvářejí nečistoty z nemagnetického přechodného kovu. stavu, ale jejich umístění je velmi blízko okraje mezery.“ supravodivý, a proto nelze jeho existenci prokázat. Ale vaší důmyslnou metodou jsem si nakonec empiricky ověřil, že platí.“

Reference: “Aproximovaná supravodivost v kvantových tečkách vyrobených atom po atomu” od Lukase Schneidera, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janice Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger a Jens Wiebe, 16. srpna 2023, k dispozici zde. Příroda.
DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0