In een studie gepubliceerd in Nano Letters , hebben onderzoekers voor het eerst een nieuwe techniek gedemonstreerd om de kwantumexcitaties in supergeleidende materialen met atomaire precisie te meten. Het detecteren van deze excitaties is een belangrijke stap om exotische supergeleiders te begrijpen, wat ons zou kunnen helpen om kwantumcomputers te verbeteren en misschien zelfs de weg vrij te maken voor supergeleiders bij kamertemperatuur.

Supergeleiders zijn materialen zonder enige elektrische weerstand en vereisen doorgaans extreem lage temperaturen. Ze worden gebruikt in een breed scala van domeinen, van medische toepassingen tot een centrale rol in kwantumcomputers. Supergeleiding wordt veroorzaakt door speciaal gekoppelde elektronenparen die bekend staan ​​als Cooper-paren. Tot dusver is het voorkomen van Cooper-paren indirect macroscopisch in bulk gemeten, maar een nieuwe techniek ontwikkeld door onderzoekers van de Aalto University en Oak Ridge National Laboratories in de VS kan het voorkomen ervan met atomaire precisie detecteren.

De experimenten werden uitgevoerd door Wonhee Ko en Petro Maksymovych in het Oak Ridge National Laboratory, met de theoretische ondersteuning van professor Jose Lado van de Aalto University. Elektronen kunnen "quantumtunnelen" over energiebarrières, springen van het ene systeem naar het andere door de ruimte op een manier die niet kan worden verklaard met klassieke fysica. Als een elektron bijvoorbeeld paren met een ander elektron precies op het punt waar een metaal en een supergeleider elkaar ontmoeten, kan het een Cooper-paar vormen dat de supergeleider binnengaat en tegelijkertijd een ander soort deeltje in het metaal "terugtrapt" in een proces dat bekend staat als Andreev reflectie. De onderzoekers zochten naar deze Andreev-reflecties om Cooper-paren te detecteren.

Om dit te doen, maten ze de elektrische stroom tussen een atomair scherpe metalen punt en een supergeleider, en hoe de stroom afhing van de scheiding tussen de punt en de supergeleider. Hierdoor konden ze de hoeveelheid Andreev-reflectie detecteren die teruggaat naar de supergeleider, terwijl ze een beeldresolutie behouden die vergelijkbaar is met individuele atomen. De resultaten van het experiment kwamen exact overeen met het theoretische model van Lado.

Deze experimentele detectie van Cooper-paren op atomaire schaal biedt een geheel nieuwe methode om kwantummaterialen te begrijpen. Voor het eerst kunnen onderzoekers op unieke wijze bepalen hoe de golffuncties van Cooper-paren worden gereconstrueerd op atomaire schaal en hoe ze interageren met onzuiverheden op atomaire schaal en andere obstakels.

"Deze techniek zorgt voor een cruciale nieuwe methodologie voor het begrijpen van de interne kwantumstructuur van exotische soorten supergeleiders die bekend staan ​​als onconventionele supergeleiders, waardoor we mogelijk een verscheidenheid aan open problemen in kwantummaterialen kunnen aanpakken", zegt Lado. Onconventionele supergeleiders zijn een potentiële fundamentele bouwsteen voor kwantumcomputers en kunnen een platform bieden om supergeleiding bij kamertemperatuur te realiseren. Cooperparen hebben unieke interne structuren in onconventionele supergeleiders die tot nu toe moeilijk te begrijpen waren.

Deze ontdekking maakt het mogelijk om de toestand van Cooper-paren in onconventionele supergeleiders direct te onderzoeken, wat een cruciale nieuwe techniek tot stand brengt voor een hele familie van kwantummaterialen. Het is een grote stap voorwaarts in ons begrip van kwantummaterialen en helpt de ontwikkeling van kwantumtechnologieën vooruit te helpen. + Verder verkennen

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