Forskare från Niels Bohr Institutet vid Köpenhamns universitet har, för första gången, lyckats producera, kontrollera och förstå komplexa kvanttillstånd baserat på två elektronsnurr kopplade till en supraledare. Resultatet har publicerats i Naturkommunikation , och har kommit till i ett samarbete mellan forskarna vid Niels Bohr Institute, en vetenskapsman från utlandet och sist, men inte minst, en masteruppsatsstudent.

Kvantteknik bygger på att förstå och kontrollera kvanttillstånd i t.ex. nanoelektroniska enheter med komponenter i nanoskala. Styrningen kan ske via elektriska signaler, som i komponenterna i en dator. Enheterna är bara betydligt mer komplexa, när vi har att göra med kvantkomponenter i nanoskala, och forskarna undersöker fortfarande och försöker förstå de fenomen som uppstår i denna lilla skala. I det här fallet handlar det om kvanttillstånden i nanoelektroniska enheter gjorda av halvledarnanotrådar och supraledande material. Detta kräver att man förstår två grundläggande fenomen i modern fysik, magnetism och supraledning.

Att samla ny kunskap är som att leka med byggstenar

Forskarna har definierat mikroskopiska magneter elektriskt längs en halvledarnanotråd. Detta görs genom att placera ett elektronspin nära en supraledare och sedan observera hur det förändrar kvanttillstånden. Genom att placera två mikroskopiska magneter istället för en, som har gjorts tidigare, möjligheterna att observera nya kvanttillstånd uppstår. På så sätt samlar forskarna kunskap genom att tillföra mer och mer komplexitet till systemen. "Det är lite som att leka med byggstenar. Till en början styr vi ett enda elektronsnurr, sedan utökar vi till två, vi kan modifiera kopplingen mellan dem, justera de magnetiska egenskaperna etc. Ungefär som att bygga ett hus med varje extra tegelsten som ökar vår kunskap om dessa kvanttillstånd.", säger Kasper Grove-Rasmussen, som har stått för den experimentella delen av arbetet.

Kvantteorin från 1960 återupplivad i nanoenheter

Det handlar om att kategorisera de olika kvanttillstånden och deras relationer till varandra, för att få en överblick över hur de enskilda delarna samverkar. Under 1960-talet den teoretiska grunden för detta arbete gjordes, som tre fysiker, L. Yu, H. Shiba och A.I. Rusinov publicerade tre oberoende teoretiska verk om hur magnetiska föroreningar på ytan av supraledaren kan orsaka nya typer av kvanttillstånd. Staterna, nu experimentellt uppnått av forskarna vid Niels Bohr Institute, är uppkallade efter fysikerna:Yu-Shiba-Rusinov stater. Men de är betydligt mer komplexa än Yu-Shiba-Rusinov-staterna med ett enda snurr som tidigare uppnåtts. Detta kan vara ett steg på vägen mot mer komplexa strukturer som skulle förbättra vår förståelse för potentiella kvantdatorkomponenter, baserad på halvledar-supraledarmaterial. Kasper Grove-Rasmussen understryker att det de håller på med nu är grundforskning.

Gorm Steffensen, nu doktorand. student vid Niels Bohr Institute, skrev sin masteruppsats vid tidpunkten för artikeln, och har spelat en viktig roll för resultatet. Han studerade teoretisk fysik och har samarbetat med sin handledare, Jens Paaske, på att beskriva kvantfenomenen teoretiskt. Så artikeln visar också att samarbete kring ett vetenskapligt resultat vid Niels Bohr Institutet kan omfatta studenterna. Uppgiften för Gorm Steffensen var att utveckla en teoretisk modell som omfattade alla fenomen i experimenten i samarbete med sin handledare och den slovenske vetenskapsmannen, Rok Žitko, på. Nanotrådarna i experimentet utvecklades av Ph.D. studenter i professor Jesper Nygaards forskargrupp. Det är ett vanligt arbetssätt för forskare vid Niels Bohr Institute att arbeta tillsammans, tillämpa många olika kompetenser på alla vetenskapliga nivåer, från student till professor.