Illustration av Andreevs reflektion mellan en supraledare och en atomärt vass metallspets. Kredit:Aalto University / Jose Lado.
I en studie publicerad i Nano Letters , har forskare visat en ny teknik för att mäta kvantexcitationerna i supraledande material med atomär precision för första gången. Att upptäcka dessa excitationer är ett viktigt steg mot att förstå exotiska supraledare, vilket kan hjälpa oss att förbättra kvantdatorer och kanske till och med bana väg mot rumstemperatursupraledare.
Supraledare är material utan någon som helst elektrisk resistans, som vanligtvis kräver extremt låga temperaturer. De används inom ett brett spektrum av domäner, från medicinska tillämpningar till en central roll i kvantdatorer. Supraledning orsakas av speciellt sammanlänkade elektronpar som kallas Cooper-par. Hittills har förekomsten av Cooper-par mätts indirekt makroskopiskt i bulk, men en ny teknik utvecklad av forskare vid Aalto University och Oak Ridge National Laboratories i USA kan upptäcka deras förekomst med atomär precision.
Experimenten utfördes av Wonhee Ko och Petro Maksymovych vid Oak Ridge National Laboratory, med teoretiskt stöd av professor Jose Lado vid Aalto University. Elektroner kan "kvanttunnel" över energibarriärer, hoppa från ett system till ett annat genom rymden på ett sätt som inte kan förklaras med klassisk fysik. Till exempel, om en elektron parar sig med en annan elektron precis vid den punkt där en metall och supraledare möts, kan den bilda ett Cooper-par som går in i supraledaren samtidigt som det "sparkar tillbaka" en annan typ av partikel i metallen i en process som kallas Andreev reflexion. Forskarna letade efter dessa Andreev-reflektioner för att upptäcka Cooper-par.
För att göra detta mätte de den elektriska strömmen mellan en atomärt vass metallspets och en supraledare, samt hur strömmen berodde på separationen mellan spetsen och supraledaren. Detta gjorde det möjligt för dem att detektera mängden Andreev-reflektion som går tillbaka till supraledaren, samtidigt som de bibehåller en bildupplösning som är jämförbar med enskilda atomer. Resultaten av experimentet motsvarade exakt Lados teoretiska modell.
Denna experimentella upptäckt av Cooper-par på atomär skala ger en helt ny metod för att förstå kvantmaterial. För första gången kan forskare på ett unikt sätt fastställa hur vågfunktionerna hos Cooper-par rekonstrueras på atomär skala och hur de interagerar med föroreningar i atomär skala och andra hinder.
"Denna teknik etablerar en kritisk ny metod för att förstå den interna kvantstrukturen hos exotiska typer av supraledare som kallas okonventionella supraledare, vilket potentiellt tillåter oss att ta itu med en mängd olika öppna problem i kvantmaterial", säger Lado. Okonventionella supraledare är en potentiell grundläggande byggsten för kvantdatorer och kan ge en plattform för att realisera supraledning vid rumstemperatur. Cooper-par har unika interna strukturer i okonventionella supraledare som hittills har varit utmanande att förstå.
Denna upptäckt möjliggör direkt undersökning av tillståndet för Cooper-par i okonventionella supraledare, vilket etablerar en kritisk ny teknik för en hel familj av kvantmaterial. Det representerar ett stort steg framåt i vår förståelse av kvantmaterial och hjälper till att driva på arbetet med att utveckla kvantteknologier. + Utforska vidare
