Het meest voor de hand liggende voordeel van supergeleiders – materialen die geen elektrische weerstand bieden aan de stroom van elektronen – in elektronische circuits is dat ze geen verspillende verwarming produceren, wat de energie-efficiëntie van conventionele circuits beperkt.

Maar ze hebben ook nog een ander groot voordeel. Supergeleiding ontstaat door kwantummechanische interacties tussen elektronen. Deze exotische effecten kunnen in apparaten worden toegepast, waardoor ze een breed scala aan functionaliteit krijgen die niet beschikbaar is op conventionele apparaten.

Nu hebben Sadashige Matsuo van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en collega’s precies zo’n effect onderzocht. Het staat bekend als een Andreev-molecuul en zou kunnen worden gebruikt voor kwantuminformatietechnologieën in toekomstige kwantumcomputers. Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

De basisbouwsteen van supergeleidende circuits is de Josephson-junctie:een apparaat dat wordt gemaakt door normaal materiaal tussen twee supergeleiders te plaatsen en dat de stroom van de superstroom kan regelen.

Waar het normale materiaal in aanraking komt met de supergeleiders, wordt een elektron in het normale materiaal als een gat gereflecteerd en wordt in de supergeleider een elektronenpaar gegenereerd. Deze reflectie vormt gebonden toestanden in het normale materiaal van de Josephson-overgang, de zogenaamde Andreev-gebonden toestanden.

Als twee Josephson-knooppunten dichtbij genoeg zijn, kunnen ze een Andreev-molecuul vormen door met elkaar te verbinden. Matsuo en zijn collega's concentreerden zich op de twee Josephson-knooppunten die één korte supergeleidende elektrode deelden. In de structuur wordt verwacht dat de Andreev-gebonden toestanden in de verschillende knooppunten met elkaar verbonden zijn via de gedeelde elektrode.

"Als deze Andreev-moleculen bestaan, kan één Josephson-knooppunt een ander Josephson-knooppunt controleren", legt Matsuo uit. "En dan ontstaan ​​er exotische en nuttige supergeleidende transportfenomenen, zoals het Josephson-diode-effect, een effect dat zou kunnen leiden tot minder dissipatieve gelijkrichters in supergeleidende circuits."

Matsuo en zijn collega's maakten twee Josephson-verbindingen met een dunne laag indiumarsenide. Vervolgens koppelden ze ze aan elkaar via een gedeelde supergeleidende elektrode van aluminium, die bij zeer lage temperaturen supergeleidend is.

Het team bestudeerde de elektronische eigenschappen van deze structuur door de tunnelstroom naar de kruispunten te meten bij verschillende aangelegde spanningen en magnetische veldsterkten, een techniek die tunnelspectroscopie wordt genoemd. Hierdoor konden ze de energieniveaus in de Josephson-overgangen observeren die overeenkomen met Andreev-moleculen.

"Onderzoekers hadden eerder de spectroscopische karakterisering van Andreev-moleculen in de verschillende apparaatstructuren gerapporteerd", zegt Matsuo. "Maar we zijn er nu in geslaagd ze te observeren in gekoppelde Josephson-kruisingen en voor het eerst hun controleerbaarheid aan te tonen.

"Ons werk levert fundamentele informatie op over het Andreev-molecuul. En het zal de weg vrijmaken voor het manipuleren van exotische supergeleidende transportfenomenen in gekoppelde Josephson-knooppunten in de toekomst."

Meer informatie: Sadashige Matsuo et al., Fase-afhankelijke Andreev-moleculen en supergeleidende kloofsluiting in coherent gekoppelde Josephson-overgangen, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44111-3

Aangeboden door RIKEN