Elektroniska tillstånd som liknar molekyler och som är lovande för användning i framtida kvantdatorer har skapats i supraledande kretsar av fysiker på RIKEN.
Den mest uppenbara fördelen med supraledares material som inte erbjuder något elektriskt motstånd mot flödet av elektroner i elektroniska kretsar är att de inte producerar någon slösaktig uppvärmning, vilket begränsar energieffektiviteten hos konventionella kretsar.
Men de har också en annan stor fördel. Supraledning uppstår på grund av kvantmekaniska interaktioner mellan elektroner. Dessa exotiska effekter skulle kunna utnyttjas i enheter och förse dem med ett brett utbud av funktioner som inte är tillgängliga i konventionella enheter.
Nu har Sadashige Matsuo från RIKEN Center for Emergent Matter Science och medarbetare undersökt just en sådan effekt. Känd som en Andreev-molekyl, kan den användas för kvantinformationsteknik i framtida kvantdatorer. Artikeln är publicerad i tidskriften Nature Communications .
Den grundläggande byggstenen för supraledande kretsar är Josephson-övergången:en anordning gjord genom att lägga ett normalt material mellan två supraledare, som kan styra flödet av supraströmmen.
Där det normala materialet gränsar till supraledarna reflekteras en elektron i det normala materialet som ett hål och ett elektronpar genereras i supraledaren. Denna reflektion bildar bundna tillstånd i Josephson-korsningens normala material, så kallade Andreev-bundna tillstånd.
Om två Josephson-korsningar är tillräckligt nära, kan de bilda en Andreev-molekyl genom att länka till varandra. Matsuo och hans medarbetare fokuserade på de två Josephson-korsningarna som delade en kort supraledande elektrod. I strukturen förväntas de Andreevs bundna tillstånden i de olika korsningarna länka till varandra genom den delade elektroden.
"När dessa Andreev-molekyler existerar kan en Josephson-korsning styra en annan Josephson-övergång", förklarar Matsuo. "Och sedan uppstår exotiska och användbara supraledande transportfenomen, som Josephson-diodeffekten - en effekt som kan leda till mindre avledande likriktare i supraledande kretsar."
Matsuo och hans medarbetare gjorde två Josephson-korsningar med ett tunt lager indiumarsenid. De kopplade sedan ihop dem genom en delad supraledande elektrod gjord av aluminium, som är supraledande vid mycket låga temperaturer.
Teamet studerade de elektroniska egenskaperna hos denna struktur genom att mäta tunnelströmmen till korsningarna vid olika pålagda spänningar och magnetfältstyrkor, en teknik som kallas tunnelspektroskopi. Detta gjorde det möjligt för dem att observera energinivåerna i Josephson-korsningarna som motsvarar Andreevs molekyler.
"Forskare hade tidigare rapporterat den spektroskopiska karakteriseringen av Andreev-molekyler i de olika enhetsstrukturerna", säger Matsuo. "Men vi har nu lyckats observera dem i kopplade Josephson-korsningar och visa deras kontrollerbarhet för första gången.
"Vårt arbete ger grundläggande information om Andreev-molekylen. Och det kommer att bana väg för exotiska supraledande transportfenomen i kopplade Josephson-korsningar i framtiden."
Mer information: Sadashige Matsuo et al, Fasberoende Andreev-molekyler och supraledande gap som stänger i koherent kopplade Josephson-korsningar, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44111-3
Tillhandahålls av RIKEN
