Supergeleiders, materialen die bij lage temperaturen zonder weerstand elektriciteit kunnen geleiden, hebben veel interessante en voordelige eigenschappen. De afgelopen jaren hebben natuurkundigen en computerwetenschappers hun potentieel voor verschillende toepassingen onderzocht, waaronder kwantumcomputertechnologie.

Magnetische onzuiverheden gekoppeld aan een supergeleider kunnen zogenaamde Yu-Shiba-Rusinov (YSR) toestanden produceren binnen de supergeleidende opening. Wanneer de koppeling van deze onzuiverheden aan de supergeleiders toeneemt, ondergaat de YSR-toestand een kwantumfase-overgang, waardoor de grondtoestand van het materiaal verandert. Hoewel veel natuurkundigen de afgelopen jaren YSR-toestanden en hun kwantumfase-overgang hebben onderzocht, is hun effect op de grondtoestand van supergeleiders nog steeds slecht begrepen.

Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Solid State Research, Ulm University, het German Aerospace Center (DLR), de Universiteit van Uppsala en de Autonome Universiteit van Madrid hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd om nieuwe inzichten te verkrijgen over veranderingen in de grondtoestand die verband houden met YSR-staten. Hun studie, te zien in Nature Physics , leidde tot de gedetailleerde observatie van een verandering in de zogenaamde Josephson-stroom als een handtekening van de faseovergang van de YSR-staat.

"Hoewel de YSR-toestanden de afgelopen jaren uitgebreid zijn bestudeerd en er indirecte aanwijzingen zijn dat de YSR-toestand een kwantumfase-overgang ondergaat, ontbreekt een directe indicatie van hoe de grondtoestand verandert", zegt Christian Ast, een van de onderzoekers die uit de studie, vertelde Phys.org. "In principe kon de kwantumfaseovergang worden waargenomen, maar het was nooit helemaal duidelijk aan welke kant van de kwantumfaseovergang men zich bevond. Als de uitwisselingskoppeling zwak is, is de onzuiverheidsspin vrij (de YSR-toestand is leeg in de grondtoestand ) en als de uitwisselingskoppeling sterk is, wordt de onzuiverheidsspin gescreend door de YSR-toestand in de grondtoestand te bezetten."

Wanneer gekoppeld aan supergeleiders, creëren spins in kwantumstippen wat bekend staat als een p-Josephson-overgang, een omkering in de superstroom van het materiaal die kan worden waargenomen door de Josephson-stroom te meten, ook bekend als superstroom of Cooper-paarstroom. Ast en zijn collega's gingen dus op zoek naar het meten van de Josephson-stroom door een YSR-toestand en over de kwantumfase-overgang van deze toestand.

"De Josephson-stroom kan ons vertellen aan welke kant van de kwantumfase-overgang de YSR-toestand is," legde Ast uit.

Ten eerste gebruikten de onderzoekers een mK-STM, een scanning tunneling-microscoop die werkt bij een basistemperatuur van 10mK, om lokaal een enkele onzuiverheid met een YSR-toestand in hun monster te meten. Hun experimenten werden uitgevoerd in het Precision Lab van het Max Planck Institute for Solid State Research, waar de mK-STM wordt gehuisvest.

"Om de omkering van de superstroom te observeren, moesten we een heel lastig detail gebruiken," zei Ast. "De omkering van de superstroom is te wijten aan een faseverschuiving over de tunnelovergang. Om precies te zijn, de fase verschuift met p, d.w.z. 180 graden, wat overeenkomt met een tekenverandering, daarom worden deze verbindingen p-overgangen genoemd en ik denk dat deze tekenverandering de term 'supercurrent omkering' heeft bedacht.'"

Faseveranderingen zoals die door Ast en zijn collega's zijn onderzocht, zijn erg moeilijk experimenteel te detecteren. Voor het detecteren van deze veranderingen is doorgaans een tweede tunnelknooppunt nodig dat als referentieknooppunt kan worden gebruikt. Tot nu toe hebben de meeste onderzoekers faseveranderingen gedetecteerd met behulp van wat bekend staat als een supergeleidend kwantuminterferentieapparaat (SQUID).

SQUID's zijn zeer gevoelige apparaten die subtiele magnetische velden, stromen, spanningen of verplaatsingen kunnen detecteren en meten. Deze apparaten zijn gebaseerd op het Josephson-effect en meten veranderingen in Josephson-stromen.

"We hebben zo'n apparaat nagebootst door een tweede transportkanaal in ons tunnelknooppunt te exploiteren, dat als referentieknooppunt dient", zei Ast. "Als resultaat zien we constructieve interferentie aan de ene kant van de kwantumfase-overgang en destructieve interferentie tussen de twee kanalen aan de andere kant, wat zich manifesteert in een verandering in de grootte van de Josephson-stroom."

Tijdens hun studie introduceerden Ast en zijn collega's wat kan worden omschreven als het kleinste SQUID-apparaat dat tot nu toe is ontwikkeld. Met behulp van dit apparaat hebben ze de 0-p-overgang in de YSR-toestand gedetecteerd die wordt geproduceerd door een magnetische onzuiverheid in een halfgeleider.

"Het belangrijkste verschil tussen een conventionele SQUID en ons apparaat is dat we geen supergeleidende lus hebben waardoor we een magnetisch veld kunnen passeren om de fase af te stemmen", legt Ast uit. Daarom kunnen we alleen een tekenverandering detecteren, wat voldoende is voor ons doel. Met ons apparaat hebben we met succes de faseverandering gedetecteerd in de 0-p-overgang van de YSR-toestand over de kwantumfaseovergang."

Deze verandering in de Josephson-stroom die door dit team van onderzoekers is gemeten, is een duidelijk teken van een verandering in de grondtoestand die door de YSR-toestand wordt geproduceerd tijdens zijn kwantumfase-overgang. Ast en zijn collega's waren in staat om deze verandering te detecteren door voor de allereerste keer gebruik te maken van de interferentie tussen twee tunnelkanalen in het Josephson-effect, waarbij ze hun "miniatuur" SQUID als sensor gebruikten.

In hun volgende onderzoeken hopen de onderzoekers nieuw inzicht te krijgen over faseveranderingen in supergeleiders met behulp van de sensor die in hun paper en andere nieuwe apparaten is geïntroduceerd. Uiteindelijk is het hun missie om nieuwe kwantumlimieten te onthullen door systemen tot het absolute minimum te reduceren, hun interacties te onderdrukken en ze te verkleinen tot het atomaire niveau.

"De fysica van deze systemen kan worden gemodelleerd met relatief eenvoudige theorieën, wat het resultaat mooi maakt", voegde Ast eraan toe. "Dit werk is een mijlpaal in deze zoektocht naar nieuwe kwantumlimieten. Afgezien van dit algemene doel, willen we deze nieuw ontdekte fasegevoeligheid in de gefunctionaliseerde YSR-tips benutten om andere exotische verschijnselen te detecteren." + Verder verkennen

Cooper-paren verdubbelen om qubits in kwantumcomputers te beschermen tegen ruis

© 2022 Science X Network