Supraledare, material som kan leda elektricitet utan motstånd vid låga temperaturer, har många intressanta och fördelaktiga egenskaper. Under de senaste åren har fysiker och datavetare undersökt deras potential för olika tillämpningar, inklusive kvantberäkningsteknik.

Magnetiska föroreningar kopplade till en supraledare kan producera så kallade Yu-Shiba-Rusinov (YSR) tillstånd inuti det supraledande gapet. När kopplingen av dessa föroreningar till supraledarna ökar, genomgår YSR-tillståndet en kvantfasövergång, vilket gör att materialets grundtillstånd förändras. Medan många fysiker har undersökt YSR-tillstånd och deras kvantfasövergång under de senaste åren, är deras effekt på grundtillståndet för supraledare fortfarande dåligt förstådd.

Forskare vid Max Planck Institute for Solid State Research, Ulm University, German Aerospace Center (DLR), Uppsala universitet och Autonomous University of Madrid har nyligen genomfört en studie som syftar till att få ny insikt om grundtillståndsförändringar kopplade till YSR-stater. Deras studie, presenterad i Nature Physics , ledde till den detaljerade observationen av en förändring i den så kallade Josephson-strömmen som en signatur för YSR-statens fasövergång.

"Medan YSR-tillstånd har studerats omfattande under de senaste åren och det finns indirekta indikationer på att YSR-tillståndet genomgår en kvantfasövergång, har en direkt indikation på hur grundtillståndsförändringarna saknats," Christian Ast, en av forskarna som utförde ut studien, berättade för Phys.org. "I grund och botten kunde kvantfasövergången observeras, men det var aldrig helt klart på vilken sida av kvantfasövergången man var. Om utbyteskopplingen är svag är föroreningsspinnet fri (YSR-tillståndet är tomt i grundtillståndet ) och om utbyteskopplingen är stark, screenas föroreningsspinnet genom att ockupera YSR-tillståndet i grundtillståndet."

När de är kopplade till supraledare skapar spinn i kvantpunkter vad som kallas en p-Josephson-övergång, en omkastning i materialets superström som kan observeras genom att mäta Josephson-strömmen, även känd som superström eller Cooper-parström. Ast och hans kollegor satte sig därför för att mäta Josephson-strömmen genom ett YSR-tillstånd och över detta tillstånds kvantfasövergång.

"Josephson-strömmen kan berätta för oss på vilken sida av kvantfasövergången YSR-tillståndet är," förklarade Ast.

För det första använde forskarna ett mK-STM, ett skanningstunnelmikroskop som arbetar vid en bastemperatur på 10mK, för att lokalt mäta en enda förorening med ett YSR-tillstånd i provet. Deras experiment utfördes vid Max Planck Institute for Solid State Researchs Precision Lab, som är värd för mK-STM.

"För att observera superströmsvängningen var vi tvungna att använda en mycket knepig detalj," sa Ast. "Superströmsomkastningen beror på en fasförskjutning över tunnelövergången. För att vara exakt skiftar fasförskjutningarna med p, d.v.s. 180 grader, vilket motsvarar en teckenförändring, varför dessa korsningar kallas p-korsningar. och jag antar att denna teckenförändring myntade termen 'supercurrent reversal'."

Fasförändringar som de som undersökts av Ast och hans kollegor är mycket svåra att upptäcka experimentellt. Typiskt kräver detektering av dessa förändringar en andra tunnelkorsning som kan användas som referenskorsning. Hittills har de flesta forskare upptäckt fasförändringar med hjälp av vad som kallas en supraledande kvantinterferensenhet (SQUID).

SQUIDs är mycket känsliga enheter som kan upptäcka och mäta subtila magnetfält, strömmar, spänningar eller förskjutningar. Dessa enheter är baserade på Josephson-effekten och de mäter förändringar i Josephson-strömmar.

"Vi har efterliknat en sådan anordning genom att utnyttja en andra transportkanal i vår tunnelkorsning, som fungerar som en referenskorsning," sa Ast. "Som ett resultat ser vi konstruktiv interferens på ena sidan av kvantfasövergången och destruktiv interferens mellan de två kanalerna på den andra sidan, vilket visar sig i en förändring av Josephson-strömmens storlek."

Under sin studie introducerade Ast och hans kollegor vad som kan beskrivas som den minsta SQUID-enheten som utvecklats hittills. Med den här enheten upptäckte de 0-p-övergången i YSR-tillståndet som produceras av en magnetisk förorening inuti en halvledare.

"Den största skillnaden mellan en konventionell SQUID och vår enhet är att vi inte har en supraledande slinga genom vilken vi kan passera ett magnetfält för att ställa in fasen," förklarade Ast. Därför kan vi bara upptäcka en teckenförändring, vilket är tillräckligt för vårt syfte. Med vår enhet upptäckte vi framgångsrikt fasändringen i 0-p-övergången av YSR-tillståndet över kvantfasövergången."

Denna förändring i Josephson-strömmen mätt av detta team av forskare är en tydlig signatur på en förändring i grundtillståndet som produceras av YSR-tillståndet under dess kvantfasövergång. Ast och hans kollegor kunde upptäcka denna förändring genom att utnyttja interferensen mellan två tunnelkanaler i Josephson-effekten för allra första gången, och därmed använda deras "miniatyr" SQUID som sensor.

I sina nästa studier hoppas forskarna få ny insikt om fasförändringar i supraledare med hjälp av sensorn som introduceras i deras papper och andra nya enheter. I slutändan är deras uppdrag att avslöja nya kvantgränser genom att reducera system till sitt absoluta minimum, undertrycka deras interaktioner och krympa dem till atomnivå.

"Fysiken i dessa system kan modelleras av jämförelsevis enkla teorier, vilket gör resultatet vackert," tillade Ast. "Detta arbete är en milstolpe i denna strävan efter nya kvantgränser. Bortsett från detta allmänna mål, vill vi utnyttja denna nyupptäckta faskänslighet i de funktionaliserade YSR-tipsen för att upptäcka andra exotiska fenomen." + Utforska vidare

Fördubbling av Cooper-par för att skydda qubits i kvantdatorer från brus

© 2022 Science X Network