Onderzoekers van de Universiteit van Basel en de Universiteit van Lund hebben supergeleidende elektronenpaartoestanden gegenereerd op verschillende segmenten van een nanodraad, gescheiden door volwassen barrières. Afhankelijk van de hoogte van de barrières kunnen deze paartoestanden worden gekoppeld en versmolten.

De resultaten zijn gepubliceerd in Communications Physics en belangrijke inzichten verschaffen voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtoestanden.

In een supergeleider vormen elektronen een soort paar dat resulteert in nieuwe materiaaleigenschappen zoals dissipatieloze stromen. Als een halfgeleidend materiaal in contact wordt gebracht met een supergeleider, kunnen de elektronen van een halfgeleider ook in vergelijkbare paartoestanden terechtkomen, bekend als Andreev-gebonden toestanden (ABS's).

Dergelijke toestanden die zich vormen op individuele, lange, dunne kristallen (zogenaamde nanodraden) zijn de laatste jaren het middelpunt geworden van steeds meer onderzoek, omdat ze bijzonder goede informatiedragers kunnen zijn.

Analogieën met scheikunde

Onderzoekers in het team van professor Christian Schönenberger en dr. Andreas Baumgartner van de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Instituut van de Universiteit van Basel en collega's van de Universiteit van Lund zijn er nu in geslaagd dergelijke paartoestanden te genereren op drie segmenten van een nanodraad, die gescheiden zijn door barrières die in het kristal zijn gegroeid. De wetenschappers kunnen de hoogte van de barrières manipuleren met behulp van een elektrische spanning.

"We kunnen de respectieve toestanden identificeren aan de hand van kenmerken van de elektrische stroom", legt de eerste auteur van de publicatie, Dr. Christian Jünger, uit. Als de barrières groot zijn, vormen zich individuele, onafhankelijke Andreev-gebonden toestanden op de twee segmenten nabij een supergeleider.

Analoog aan de één-elektrontoestanden in natuurlijke atomen in de chemie, kunnen deze worden beschouwd als Andreev-atomen. Wanneer de barrières tussen de segmenten worden verkleind, raken de ABS's gekoppeld en vormen ze toestanden die vaak Andreev-moleculen worden genoemd.

Wanneer de onderzoekers de barrières bijna volledig verlagen, ontstaan ​​er paartoestanden die zich over de hele nanodraad uitstrekken en elektrische stroom geleiden zonder dissipatie – een fenomeen dat bekend staat als het Josephson-effect. "Dit komt overeen met een fusie van de oorspronkelijke Andreev-gebonden staten tot Andreev-helium, vergelijkbaar met gefuseerde waterstofatomen", zegt dr. Andreas Baumgartner.

In toekomstige experimenten zullen onderzoekers dit fusieproces onderzoeken met een soortgelijk type paartoestanden, de zogenaamde Majorana-gebonden staten, en zo een belangrijke stap zetten in de richting van toepassing op kwantumcomputers.

Meer informatie: Christian Jünger et al., Tussenliggende staten in Andreev gebonden staatsfusie, Communicatiefysica (2023). DOI:10.1038/s42005-023-01273-2

Journaalinformatie: Communicatiefysica

Aangeboden door Universiteit van Bazel