Fig. 1. Una giunzione Josephson può dividere e ricombinare coppie di elettroni di Cooper mentre viaggiano attraverso due nanofili. Credito: RIKEN

Introduzione

Un dispositivo in grado di separare e ricombinare coppie di elettroni può offrire un modo per studiare una forma insolita di superconduttività, secondo i fisici del RIKEN. Questo stato superconduttore coinvolgerebbe particelle esotiche chiamate fermioni di Majorana che potrebbero rivelarsi utili nello sviluppo di computer quantistici.

Giunzione di Josephson

Nei superconduttori convenzionali, la corrente elettrica scorre senza resistenza a causa della collaborazione di elettroni per creare “coppie di Cooper“. Un superconduttore che tocca un conduttore normale a volte può indurre superconduttività in quest’utlimo attraverso coppie Cooper che penetrano nel conduttore normale.

Ora, Sadashige Matsuo del RIKEN Center for Emergent Matter Science e colleghi, hanno creato un dispositivo chiamato giunzione Josephson che può dividere efficacemente queste coppie di Cooper mentre viaggiano da un superconduttore in due conduttori normali unidimensionali (Fig. 1). In precedenza, la maggior parte delle indagini sulla divisione delle coppie di Cooper erano state condotte utilizzando “quantum dots” a dimensione zero collegati da superconduttori.

L’esperimento

Il dispositivo aveva due elettrodi in alluminio, che diventavano superconduttori se raffreddati a solo 1/20 di grado sopra lo zero assoluto. Gli elettrodi sono collegati da due nanofili a semiconduttore. Il team è stato in grado di ottenere una suddivisione efficiente delle coppie di Cooper quando gli elettroni hanno viaggiato nei nanofili senza essere dispersi da oggetti come i quantum dots. Ciò è in contrasto con studi precedenti.

Mentre le coppie di Cooper viaggiano tra gli elettrodi superconduttori, possono aderire e viaggiare lungo un singolo conduttore di nanofili, un effetto noto come local pair tunneling, oppure possono dividersi in modo che ciascun elettrone viaggi attraverso un diverso nanofilo. Nonostante la loro separazione fisica, i due elettroni sono collegati tramite un effetto chiamato entanglement quantistico.

Sintonizzando con precisione la tensione che controllava il flusso di elettroni, il team ha assicurato che oltre la metà delle coppie Cooper si è divisa mentre viaggiavano attraverso i nanofili, dimostrando che il dispositivo poteva sopprimere il local pair tunneling (a causa delle interazioni elettrone-elettrone nei nanofili). Giunti dall’altra parte, gli elettroni si ricombinavano in coppie di Cooper.I ricercatori hanno anche scoperto che l’applicazione di un campo magnetico ha frenato la divisione della coppia Cooper più del local pair tunneling.

Implicazioni

Questi risultati indicano che il dispositivo potrebbe essere utilizzato per generare quello che è noto come uno stato del superconduttore topologico, in cui la sovrapposizione di un elettrone e un buco genera fermioni di Majorana – un particolare tipo di particella, equivalente alla sua stessa antiparticella. 

I fermioni di Majorana sono interessanti perché potrebbero essere usati come bit” quantisticici che trasportano informazioni in alcuni tipi di computer quantistici, promettendo di avere una potenza di elaborazione notevolmente maggiore di quanto consentano le tecnologie convenzionali.

Il nostro prossimo passo è cercare le impronte digitali dei fermioni di Majorana nelle giunzioni superconduttrici di un doppio nanofilo“, afferma Matsuo.

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