Physiker bestätigen den vor mehr als 50 Jahren vorhergesagten Quantenzustand

Physiker beobachteten einen vor mehr als 50 Jahren theoretisierten Quantenzustand, indem sie Elektronen in einem künstlichen Atom auf einem Supraleiter paarten und so eine Grundversion der Supraleitung schufen. Diese Entdeckung zeigt das Verhalten gepaarter Elektronen (Bosonen), die im Gegensatz zu einzelnen Elektronen im selben Raum koexistieren können. Diese Arbeit hat Auswirkungen auf die Weiterentwicklung des Verständnisses der Supraleitung in Nanostrukturen und ihrer möglichen Anwendung in modernen Quantencomputern.

Entdecken Sie die Kopplung von Elektronen in künstlichen Atomen

Forscher des Fachbereichs Physik der Universität Hamburg haben einen Quantenzustand beobachtet, der bereits vor mehr als 50 Jahren von japanischen Theoretikern theoretisch vorhergesagt wurde, bisher jedoch nicht entdeckt wurde. durch synthetische Naht Mais Auf der Oberfläche eines Supraleiters ist es den Forschern gelungen, die Elektronen eines sogenannten Quantenpunkts zu paaren und so die kleinstmögliche Version des Supraleiters zu erzeugen. Das Werk erscheint in der neuesten Ausgabe des Magazins Natur.

Elektronenverhalten und Supraleitung

Elektronen stoßen sich aufgrund ihrer negativen Ladung normalerweise gegenseitig ab. Dieses Abstoßungsphänomen spielt eine wichtige Rolle bei der Beeinflussung vieler Materialeigenschaften, darunter auch des elektrischen Widerstands. Die Situation ändert sich jedoch radikal, wenn die Elektronen paarweise „zusammengeklebt“ werden und so zu Bosonen werden. Im Gegensatz zu einzelnen Elektronen, die sich gegenseitig abstoßen, können Bosonenpaare im selben Raum koexistieren und identische Bewegungen ausführen.

3D-Darstellung einiger der Atom für Atom aus Silber aufgebauten Strukturen (kleine Hügel). Im oberen linken Quadranten des Bildes ist ein rechteckiger und kreisförmiger Buchstabenkäfig zu sehen. Bildnachweis: Lucas Schneider

Supraleitung ist eine der interessantesten Eigenschaften von Materialien, die diese Elektronenpaare enthalten – die Fähigkeit, elektrischen Strom ohne Widerstand fließen zu lassen. Supraleitung wurde im Laufe der Jahre für viele technologische Anwendungen genutzt, beispielsweise für die Magnetresonanztomographie und hochempfindliche Magnetfelddetektoren. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Geräte besteht ein wachsendes Interesse daran, zu verstehen, wie man Supraleitung in kleineren, nanoskalig Strukturen.

Elektronenkopplung in künstlichen Atomen

Forscher des Fachbereichs Physik und der Exzellenzgruppe „CUI: Advanced Imaging of Matter“ der Universität Hamburg haben die Kopplung von Elektronen in einem künstlichen Atom namens Quantenpunkt realisiert, dem kleinsten Baustein für nanostrukturierte elektronische Geräte. Zu diesem Zweck haben die Experimentatoren unter der Leitung von PD Prof. Jens Wiebe vom Institut für Nanostruktur und Festkörperphysik Elektronen in winzigen Käfigen gefangen, die sie Atom für Atom aus Silber gebaut hatten.

Durch die Kopplung der gebundenen Elektronen an einen elementaren Supraleiter erbten die Elektronen die Tendenz zur Paarung vom Supraleiter. Zusammen mit einem Team theoretischer Massenphysiker unter der Leitung von Dr. Thor Boesky korrelierten die Forscher die experimentelle Signatur, einen spektralen Peak bei sehr niedriger Energie, mit dem von Kazushige Machida in den frühen 1970er Jahren von Fumiaki Shibata vorhergesagten Quantenzustand.

Während der Staat die direkte Erkennung bisher nur durch experimentelle Methoden wiederhergestellt hat, zeigen aktuelle Untersuchungen zweier Teams aus den Niederlanden und Dänemark, dass sie bei der Unterdrückung unerwünschten Rauschens bei Qubit-Übertragungen, einem Baustein moderner Quantencomputer, nützlich ist.

In einer privaten E-Mail schrieb Kazushige Machida an den Erstautor der Veröffentlichung, Dr. Lucas Schneider: „Vielen Dank, dass Sie meine alte Arbeit vor einem halben Jahrhundert ‚entdeckt‘ haben. Ich dachte lange, dass nichtmagnetische Übergangsmetallverunreinigungen die Lücke erzeugen.“ Zustand, aber ihre Position liegt sehr nahe am Rand der Lücke.“ supraleitend und daher unmöglich, ihre Existenz zu beweisen. Aber durch Ihre geniale Methode habe ich endlich bestätigt, dass es experimentell korrekt ist.“

Referenz: „Approximated Supraconductivity in Quantum Dots Made Atom-by-Atom“ von Lukas Schneider, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janice Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger und Jens Wiebe, 16. August 2023, hier verfügbar. Natur.
DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0