Onderzoekers van de Universiteit van Maryland hebben het meest directe bewijs tot nu toe verzameld van een kwantumgril waardoor deeltjes door een barrière kunnen tunnelen alsof het er niet eens is. Het resultaat, op de cover van 20 juni, Nummer van het tijdschrift 2019 Natuur , kan ingenieurs in staat stellen om meer uniforme componenten te ontwerpen voor toekomstige kwantumcomputers, kwantumsensoren en andere apparaten.

Het nieuwe experiment is een observatie van Klein tunneling, een speciaal geval van een meer gewoon kwantumfenomeen. In de kwantumwereld Door tunneling kunnen deeltjes zoals elektronen door een barrière gaan, zelfs als ze niet genoeg energie hebben om er echt overheen te klimmen. Een hogere barrière maakt dit meestal moeilijker en laat minder deeltjes door.

Klein tunneling treedt op wanneer de barrière volledig transparant wordt, een portaal openen waar deeltjes doorheen kunnen, ongeacht de hoogte van de barrière. Wetenschappers en ingenieurs van UMD's Center for Nanophysics and Advanced Materials (CNAM), het Joint Quantum Institute (JQI) en het Condensed Matter Theory Center (CMTC), met benoemingen in UMD's Department of Materials Science and Engineering en Department of Physics, hebben de meest overtuigende metingen tot nu toe van het effect gedaan.

"Klein tunneling was oorspronkelijk een relativistisch effect, bijna honderd jaar geleden voor het eerst voorspeld, " zegt Ichiro Takeuchi, een professor in materiaalkunde en engineering (MSE) aan de UMD en de senior auteur van de nieuwe studie. "Tot voor kort, Hoewel, je kon het niet waarnemen."

Het was bijna onmogelijk om bewijs te verzamelen voor Klein-tunneling waar het voor het eerst werd voorspeld - de wereld van hoogenergetische kwantumdeeltjes die dicht bij de lichtsnelheid bewegen. Maar in de afgelopen decennia is wetenschappers hebben ontdekt dat sommige regels voor snel bewegende kwantumdeeltjes ook van toepassing zijn op de relatief trage deeltjes die zich in de buurt van het oppervlak van sommige ongebruikelijke materialen verplaatsen.

Een dergelijk materiaal - dat onderzoekers in de nieuwe studie hebben gebruikt - is samariumhexaboride (SmB6), een stof die bij lage temperaturen een topologische isolator wordt. In een normale isolator zoals hout, rubber of lucht, elektronen zitten vast, niet in staat om te bewegen, zelfs niet als er spanning op staat. Dus, in tegenstelling tot hun vrij rondlopende kameraden in een metalen draad, elektronen in een isolator kunnen geen stroom geleiden.

Topologische isolatoren zoals SmB6 gedragen zich als hybride materialen. Bij voldoende lage temperaturen, het interieur van SmB6 is een isolator, maar het oppervlak is van metaal en geeft elektronen enige bewegingsvrijheid. Aanvullend, de richting waarin de elektronen bewegen, wordt vergrendeld door een intrinsieke kwantumeigenschap die spin wordt genoemd en die naar boven of naar beneden kan worden gericht. Elektronen die naar rechts bewegen, hebben altijd hun spin naar boven gericht, bijvoorbeeld, en elektronen die naar links bewegen, hebben hun spin naar beneden gericht.

Het metalen oppervlak van SmB6 zou niet genoeg zijn geweest om Klein tunneling te zien, Hoewel. Het bleek dat Takeuchi en collega's het oppervlak van SmB6 moesten transformeren in een supergeleider - een materiaal dat elektrische stroom kan geleiden zonder enige weerstand.

Om SmB6 in een supergeleider te veranderen, ze legden er een dunne film van op een laag yttriumhexaboride (YB6). Toen het hele samenstel was afgekoeld tot slechts enkele graden boven het absolute nulpunt, de YB6 werd een supergeleider en, vanwege de nabijheid, het metalen oppervlak van SmB6 werd een supergeleider, te.

Het was een "stukje serendipiteit" dat SmB6 en zijn met yttrium verwisselde verwant dezelfde kristalstructuur deelden, zegt Johnpierre Paglione, een professor in de natuurkunde aan de UMD, de directeur van CNAM en een co-auteur van het onderzoekspaper. "Echter, het multidisciplinaire team dat we hebben was een van de sleutels tot dit succes. Met experts op het gebied van topologische fysica, dunnefilmsynthese, spectroscopie en theoretisch begrip hebben ons echt op dit punt gebracht, ' voegt Paglione toe.

De combinatie bleek de juiste mix om Klein tunneling te observeren. Door een kleine metalen punt in contact te brengen met de bovenkant van de SmB6, het team mat het transport van elektronen van de punt naar de supergeleider. Ze observeerden een perfect verdubbelde geleiding - een maatstaf voor hoe de stroom door een materiaal verandert als de spanning erover wordt gevarieerd.

"Toen we de verdubbeling voor het eerst waarnamen, ik geloofde het niet, "zegt Takeuchi. "Tenslotte, het is een ongewone waarneming, dus ik vroeg mijn postdoc Seunghun Lee en onderzoekswetenschapper Xiaohang Zhang om terug te gaan en het experiment opnieuw te doen."

Toen Takeuchi en zijn experimentele collega's zichzelf ervan overtuigden dat de metingen nauwkeurig waren, ze begrepen aanvankelijk niet de bron van de verdubbelde geleiding. Dus gingen ze op zoek naar een verklaring. Victor Galitski van UMD, een JQI-fellow, hoogleraar natuurkunde en lid van CMTC, suggereerde dat Klein tunneling betrokken zou kunnen zijn.

"Aanvankelijk, het was maar een voorgevoel, " zegt Galitski. "Maar na verloop van tijd raakten we er meer van overtuigd dat het Klein-scenario misschien wel de onderliggende oorzaak van de waarnemingen is."

Valentin Stanev, een associate research scientist bij MSE en een research scientist bij JQI, nam Galitski's voorgevoel en werkte een zorgvuldige theorie uit over hoe Klein-tunneling zou kunnen ontstaan ​​in het SmB6-systeem - en maakte uiteindelijk voorspellingen die goed overeenkwamen met de experimentele gegevens.

De theorie suggereerde dat Klein-tunneling zich in dit systeem manifesteert als een perfecte vorm van Andreev-reflectie, een effect aanwezig op elke grens tussen een metaal en een supergeleider. Andreev-reflectie kan optreden wanneer een elektron van het metaal op een supergeleider springt. In de supergeleider, elektronen worden gedwongen om in paren te leven, dus als een elektron erop springt, het pakt een maatje op.

Om de elektrische lading voor en na de hop in evenwicht te brengen, een deeltje met de tegenovergestelde lading - dat wetenschappers een gat noemen - moet terugkaatsen in het metaal. Dit is het kenmerk van Andreev-reflectie:een elektron gaat naar binnen, er komt weer een gaatje uit. En aangezien een gat dat in de ene richting beweegt dezelfde stroom voert als een elektron dat in de tegenovergestelde richting beweegt, dit hele proces verdubbelt de algehele geleiding - de handtekening van Klein tunneling door een kruising van een metaal en een topologische supergeleider.

In conventionele verbindingen tussen een metaal en een supergeleider, er zijn altijd elektronen die de hop niet maken. Ze verspreiden zich over de grens, het verminderen van de hoeveelheid Andreev-reflectie en het voorkomen van een exacte verdubbeling van de geleiding.

Maar omdat de elektronen in het oppervlak van SmB6 hun bewegingsrichting hebben gebonden aan hun spin, elektronen in de buurt van de grens kunnen niet terugkaatsen, wat betekent dat ze altijd rechtstreeks naar de supergeleider zullen gaan.

"Klein tunneling was ook gezien in grafeen, "zegt Takeuchi. "Maar hier, omdat het een supergeleider is, Ik zou zeggen dat het effect spectaculairder is. Je krijgt deze exacte verdubbeling en een volledige opheffing van de verstrooiing, en er is geen analogie daarvan in het grafeenexperiment."

Verbindingen tussen supergeleiders en andere materialen zijn ingrediënten in sommige voorgestelde kwantumcomputerarchitecturen, evenals in precisiesensoren. De vloek van deze componenten is altijd geweest dat elke kruising iets anders is, Takeuchi zegt, eindeloze afstemming en kalibratie nodig om de beste prestaties te bereiken. Maar met Klein tunneling in SmB6, onderzoekers hebben misschien eindelijk een tegengif voor die onregelmatigheid.

"Op het gebied van elektronica apparaat-naar-apparaat verspreiding is de grootste vijand, "zegt Takeuchi. "Hier is een fenomeen dat de variabiliteit wegneemt."

Het onderzoeksrapport, "Perfecte Andreev-reflectie vanwege de Klein-paradox in een topologische supergeleidende toestand, "Seunghun Lee, Valentin Stanev, Xiaohang Zhang, Drew Stasak, Jack Bloemen, Joshua S. Higgins, Sheng Dai, Thomas Blum, Xiaoqing-pan, Victor M. Yakovenko, Johnpierre Paglione, Richard L. Greene, Victor Galitski, en Ichiro Takeuchi, werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur op 20 juni, 2019.