Een apparaat dat elektronenparen kan scheiden en recombineren kan een manier zijn om een ​​ongebruikelijke vorm van supergeleiding te bestuderen, volgens RIKEN-fysici. Deze supergeleidende toestand omvat exotische deeltjes die Majorana-fermionen worden genoemd en die nuttig kunnen zijn bij het ontwikkelen van kwantumcomputers.

In conventionele supergeleiders, elektrische stroom vloeit zonder weerstand doordat elektronen samenwerken om 'Cooper-paren' te maken. Een supergeleider die een normale geleider raakt, kan soms supergeleiding in die geleider induceren door Cooper-paren van de supergeleider die de normale geleider binnendringen.

Nutsvoorzieningen, Sadashige Matsuo van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en collega's hebben een apparaat gemaakt dat een Josephson-knooppunt wordt genoemd, die deze Cooper-paren efficiënt kunnen splitsen terwijl ze van een supergeleider in twee eendimensionale normale geleiders reizen (figuur 1). Eerder, de meeste onderzoeken naar het splitsen van Cooper-paren zijn gedaan met behulp van nuldimensionale 'quantum dots' verbonden door supergeleiders.

Het apparaat had twee aluminium elektroden, die supergeleidend worden wanneer ze worden afgekoeld tot slechts 1/20e van een graad boven het absolute nulpunt. De elektroden worden overbrugd door twee halfgeleider nanodraden. Het team was in staat om Cooper-paren efficiënt te splitsen toen de elektronen in de nanodraden reisden zonder te worden verstrooid door objecten zoals kwantumstippen. Dit in tegenstelling tot eerdere onderzoeken.

Terwijl Cooper-paren tussen de supergeleidende elektroden reizen, ze kunnen ofwel aan elkaar plakken en langs een enkele nanodraadgeleider reizen, een effect dat bekend staat als local pair tunneling, of ze kunnen splitsen zodat elk elektron door een andere nanodraad reist. Ondanks hun fysieke scheiding, de twee elektronen zijn verbonden via een effect dat kwantumverstrengeling wordt genoemd.

Door de spanning die de elektronenstroom regelde te verfijnen, het team zorgde ervoor dat meer dan de helft van de Cooper-paren uit elkaar gingen terwijl ze door de nanodraden reisden, wat bewijst dat het apparaat lokale paartunneling zou kunnen onderdrukken (vanwege de elektron-elektron-interacties in de nanodraden). Bij het bereiken van de andere kant, de elektronen gerecombineerd tot Cooper-paren. De onderzoekers ontdekten ook dat het toepassen van een magnetisch veld de splitsing van het Cooper-paar meer afremde dan lokale paartunneling.

Deze resultaten geven aan dat het apparaat kan worden gebruikt om een ​​zogenaamde topologische supergeleidende toestand te genereren, waarbij de superpositie van een elektron en een gat Majorana-fermionen genereert, een eigenaardig soort deeltje dat gelijk is aan zijn eigen antideeltje. Majorana-fermionen zijn interessant omdat ze kunnen worden gebruikt als kwantumbits die informatie vervoeren in bepaalde soorten kwantumcomputers, die beloven een veel grotere verwerkingskracht te hebben dan conventionele technologieën toestaan.

"Onze volgende stap is het zoeken naar vingerafdrukken van de Majorana-fermionen in de supergeleidende verbindingen van een dubbele nanodraad, ' zegt Matsou.