Natuurkundigen bevestigen de kwantumtoestand die meer dan 50 jaar geleden werd voorspeld

Ontdek de koppeling van elektronen in kunstmatige atomen

Onderzoekers van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Hamburg hebben een kwantumtoestand waargenomen die meer dan 50 jaar geleden theoretisch werd voorspeld door Japanse theoretici, maar tot nu toe aan ontdekking is ontsnapt. door synthetische hechting maïs Op het oppervlak van een supergeleider zijn de onderzoekers erin geslaagd om de elektronen van een zogenaamde quantum dot te paren en zo de kleinst mogelijke versie van de supergeleider te creëren. Het werk verschijnt in het laatste nummer van het tijdschrift natuur.

Elektronengedrag en supergeleiding

Elektronen stoten elkaar meestal af vanwege hun negatieve lading. Dit afstotingsverschijnsel speelt een belangrijke rol bij het beïnvloeden van vele eigenschappen van materialen, waaronder de elektrische weerstand. De situatie verandert echter radicaal als de elektronen in paren aan elkaar worden “gelijmd” en zo bosonen worden. In tegenstelling tot alleenstaande elektronen, die elkaar afstoten, kunnen bosonparen naast elkaar bestaan ​​in dezelfde ruimte en identieke bewegingen uitvoeren.

3D-weergave van enkele structuren die atoom voor atoom uit zilver (kleine heuvels) zijn opgebouwd. Een rechthoekige en ronde brievenbus wordt getoond in het kwadrant linksboven van de afbeelding. Krediet: Lucas Schneider

Supergeleiding is een van de meest interessante eigenschappen van materialen die deze paren elektronen bevatten – het vermogen om elektrische stroom zonder enige weerstand door te laten. Supergeleiding is in de loop der jaren voor veel technologische toepassingen gebruikt, zoals magnetische resonantiebeeldvorming en zeer gevoelige magnetische velddetectoren. Met de voortdurende miniaturisatie van elektronische apparaten is er een groeiende interesse om te begrijpen hoe supergeleiding kan worden bereikt in kleinere, nanoschaal structuren.

Elektronenkoppeling in kunstmatige atomen

Onderzoekers van het Department of Physics en de Excellence Group “CUI: Advanced Imaging of Matter” aan de Universiteit van Hamburg hebben de koppeling van elektronen gerealiseerd in een kunstmatig atoom genaamd een quantum dot, de kleinste bouwsteen voor nanogestructureerde elektronische apparaten. Daartoe hebben de onderzoekers, geleid door PD prof. Jens Wiebe van het Institute for Nanostructure and Solid State Physics, elektronen gevangen in kleine kooien die ze van zilver hebben gebouwd, atoom voor atoom.

Door de vergrendelde elektronen te koppelen aan een elementaire supergeleider, erfden de elektronen de neiging tot paren van de supergeleider. Samen met een team van theoretische massafysici, geleid door Dr. Thor Buskey, correleerden de onderzoekers de experimentele signatuur, een spectrale piek met een zeer lage energie, met de kwantumtoestand die begin jaren zeventig door Kazushige Machida werd voorspeld door Fumiaki Shibata.

Hoewel de staat tot nu toe alleen directe detectie heeft hersteld door middel van experimentele methoden, toont recent onderzoek door twee teams uit Nederland en Denemarken aan dat het nuttig is bij het onderdrukken van ongewenste ruis in qubit-transmissies, een bouwsteen van moderne kwantumcomputers.

In een privé-e-mail schreef Kazushige Machida aan de eerste auteur van de publicatie, dr. Lucas Schneider: “Bedankt voor het ‘ontdekken’ van mijn oude artikel een halve eeuw geleden. Ik dacht lange tijd dat niet-magnetische onzuiverheden van overgangsmetalen de kloof staat, maar hun locatie is zeer dicht bij de rand van de opening.” Supergeleidend, en daarom onmogelijk om het bestaan ​​ervan te bewijzen. Maar door jouw ingenieuze methode heb ik eindelijk geverifieerd dat het experimenteel correct is.”

Referentie: “Geschatte supergeleiding in Quantum Dots Made Atom-by-Atom” door Lukas Schneider, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janice Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger en Jens Wiebe, 16 augustus 2023, hier beschikbaar. natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0