Wetenschappers van het Niels Bohr Instituut aan de Universiteit van Kopenhagen hebben, Voor de eerste keer, erin geslaagd om te produceren, beheersen en begrijpen van complexe kwantumtoestanden op basis van twee elektronenspins verbonden met een supergeleider. Het resultaat is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , en is tot stand gekomen in een samenwerking tussen de wetenschappers van het Niels Bohr Instituut, een wetenschapper uit het buitenland en als laatste, maar niet de minste, een masterproefstudent.

Kwantumtechnologie is gebaseerd op het begrijpen en beheersen van kwantumtoestanden in b.v. nano-elektronische apparaten met componenten op nanoschaal. De besturing kan via elektrische signalen zijn, zoals in de componenten van een computer. De apparaten zijn gewoon aanzienlijk complexer, als we te maken hebben met kwantumcomponenten op nanoschaal, en de wetenschappers onderzoeken en proberen nog steeds de verschijnselen te begrijpen die zich op deze kleine schaal voordoen. In dit geval gaat het om de kwantumtoestanden in nano-elektronische apparaten gemaakt van halfgeleider nanodraden en supergeleidend materiaal. Dit vereist het begrijpen van twee fundamentele fenomenen in de moderne natuurkunde, magnetisme en supergeleiding.

Nieuwe kennis vergaren is als spelen met bouwstenen

De wetenschappers hebben microscopisch kleine magneten elektrisch gedefinieerd langs een halfgeleider nanodraad. Dit wordt gedaan door een elektronspin dicht bij een supergeleider te plaatsen en vervolgens te observeren hoe deze de kwantumtoestanden verandert. Door twee microscopisch kleine magneten te plaatsen in plaats van één, zoals eerder is gedaan, de mogelijkheden voor het waarnemen van nieuwe kwantumtoestanden ontstaan. Op deze manier vergaren de wetenschappers kennis door steeds meer complexiteit aan de systemen toe te voegen. "Het is een beetje als spelen met bouwstenen. In het begin besturen we één enkele elektronspin, dan breiden we uit naar twee, we kunnen de koppeling ertussen wijzigen, stem de magnetische eigenschappen af ​​enz. Een beetje zoals het bouwen van een huis met elke extra steen die onze kennis van deze kwantumtoestanden vergroot.", zegt Kasper Grove-Rasmussen, die de leiding heeft gehad over het experimentele deel van het werk.

Kwantumtheorie uit 1960 nieuw leven ingeblazen in nano-apparaten

Het gaat allemaal om het categoriseren van de verschillende kwantumtoestanden en hun relaties met elkaar, om een ​​overzicht te krijgen van hoe de afzonderlijke onderdelen op elkaar inwerken. Tijdens de jaren zestig, de theoretische basis voor dit werk werd gelegd, als drie natuurkundigen, L. Yu, H. Shiba en A.I. Rusinov publiceerde drie onafhankelijke theoretische werken over hoe magnetische onzuiverheden op het oppervlak van de supergeleider nieuwe soorten kwantumtoestanden kunnen veroorzaken. De Staten, nu experimenteel bereikt door de wetenschappers van het Niels Bohr Instituut, zijn vernoemd naar de natuurkundigen:Yu-Shiba-Rusinov stelt. Maar ze zijn aanzienlijk complexer dan de Yu-Shiba-Rusinov-staten met een enkele spin die eerder werd bereikt. Dit zou een stap kunnen zijn op weg naar complexere structuren die ons begrip van potentiële kwantumcomputercomponenten zouden verbeteren, op basis van halfgeleider-supergeleidermaterialen. Kasper Grove-Rasmussen benadrukt dat wat ze nu doen fundamenteel onderzoek is.

Gorm Steffensen, nu een Ph.D. student aan het Niels Bohr Instituut, ten tijde van het artikel zijn masterscriptie aan het schrijven was, en heeft een belangrijke rol gespeeld voor het resultaat. Hij studeerde theoretische natuurkunde en heeft samengewerkt met zijn begeleider, Jens Paaske, over het theoretisch beschrijven van de kwantumverschijnselen. Het artikel laat dus ook zien dat samenwerking aan een wetenschappelijk resultaat bij het Niels Bohr Instituut ook de studenten kan omvatten. De taak voor Gorm Steffensen was om in samenwerking met zijn supervisor en de Sloveense wetenschapper een theoretisch model te ontwikkelen dat alle verschijnselen in de experimenten omvatte, Rok itko, Aan. De nanodraden in het experiment zijn ontwikkeld door Ph.D. studenten in de onderzoeksgroep van professor Jesper Nygaard. Het is een gebruikelijke modus operandi voor wetenschappers van het Niels Bohr Instituut om samen te werken, het toepassen van veel verschillende competenties op alle wetenschappelijke niveaus, van student tot hoogleraar.