I fisici confermano lo stato quantico previsto più di 50 anni fa

Scopri l’accoppiamento degli elettroni negli atomi artificiali

I ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università di Amburgo hanno osservato uno stato quantico che era stato teoricamente previsto dai teorici giapponesi più di 50 anni fa, ma che finora è sfuggito alla scoperta. mediante sutura sintetica mais Sulla superficie di un superconduttore, i ricercatori sono riusciti ad accoppiare gli elettroni di un cosiddetto punto quantico, creando così la versione più piccola possibile del superconduttore. L’opera appare nell’ultimo numero della rivista natura.

Comportamento elettronico e superconduttività

Gli elettroni di solito si respingono a causa della loro carica negativa. Questo fenomeno di repulsione gioca un ruolo importante nell’influenzare molte proprietà dei materiali, tra cui la resistenza elettrica. Tuttavia, la situazione cambia radicalmente se gli elettroni sono “incollati” insieme a coppie e diventano così bosoni. A differenza degli elettroni solitari, che si respingono a vicenda, le coppie di bosoni possono coesistere nello stesso spazio ed eseguire moti identici.

Rendering 3D di alcune delle strutture costruite atomo per atomo in argento (piccole colline). Una gabbia per lettere rettangolare e circolare è mostrata nel quadrante in alto a sinistra dell’immagine. Credito: Lucas Schneider

La superconduttività è una delle proprietà più interessanti dei materiali contenenti queste coppie di elettroni: la capacità di consentire il passaggio della corrente elettrica senza alcuna resistenza. La superconduttività è stata sfruttata per molte applicazioni tecnologiche nel corso degli anni, come la risonanza magnetica e rivelatori di campi magnetici altamente sensibili. Con la continua miniaturizzazione dei dispositivi elettronici, c’è un crescente interesse nel capire come ottenere la superconduttività in piccoli, nanoscala strutture.

Accoppiamento elettronico in atomi artificiali

I ricercatori del Dipartimento di Fisica e del Gruppo di Eccellenza “CUI: Advanced Imaging of Matter” dell’Università di Amburgo hanno realizzato l’accoppiamento di elettroni in un atomo artificiale chiamato punto quantico, il più piccolo elemento costitutivo di dispositivi elettronici nanostrutturati. A tal fine, gli sperimentatori, guidati dal docente privato Dr. Jens Wiebe dell’Institute for Nanostructure and Solid State Physics, hanno intrappolato gli elettroni in minuscole gabbie che hanno costruito in argento, atomo per atomo.

Accoppiando gli elettroni bloccati a un superconduttore elementare, gli elettroni hanno ereditato la tendenza all’accoppiamento dal superconduttore. Insieme a un team di fisici di massa teorici, guidati dal dottor Thor Boesky, i ricercatori hanno correlato la firma sperimentale, un picco spettrale a bassissima energia, con lo stato quantico previsto da Kazushige Machida nei primi anni ’70 da Fumiaki Shibata.

Mentre lo stato finora ha recuperato solo il rilevamento diretto con metodi sperimentali, una recente ricerca di due team dei Paesi Bassi e della Danimarca mostra che è utile per sopprimere il rumore indesiderato nelle trasmissioni qubit, un elemento costitutivo dei moderni computer quantistici.

In una e-mail privata, Kazushige Machida ha scritto al primo autore della pubblicazione, il dott. Lucas Schneider: “Grazie per aver “scoperto” il mio vecchio articolo mezzo secolo fa. Ho pensato a lungo che le impurità dei metalli di transizione non magnetici producessero il gap stato, ma la loro posizione è molto vicina all’orlo del divario.” superconduttore, e quindi è impossibile provarne l’esistenza. Ma con il tuo ingegnoso metodo ho finalmente verificato che è valido empiricamente.”

Riferimento: “Superconduttività approssimata nei punti quantici realizzati atomo per atomo” di Lukas Schneider, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janis Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger e Jens Wiebe, 16 agosto 2023, disponibile qui. natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0