Físicos confirman el estado cuántico predicho hace más de 50 años

Descubre el acoplamiento de electrones en átomos artificiales

Investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Hamburgo han observado un estado cuántico que teóricos japoneses predijeron teóricamente hace más de 50 años, pero que hasta ahora ha eludido el descubrimiento. por sutura sintética maíz En la superficie de un superconductor, los investigadores lograron emparejar los electrones de un llamado punto cuántico, creando así la versión más pequeña posible del superconductor. La obra aparece en el último número de la revista naturaleza.

Comportamiento electrónico y superconductividad.

Los electrones generalmente se repelen entre sí debido a su carga negativa. Este fenómeno de repulsión juega un papel importante al influir en muchas propiedades de los materiales, entre las que se encuentra la resistencia eléctrica. Sin embargo, la situación cambia radicalmente si los electrones se «pegan» en pares y se convierten así en bosones. A diferencia de los electrones solitarios, que se repelen entre sí, los pares de bosones pueden coexistir en el mismo espacio y realizar movimientos idénticos.

Representación 3D de algunas de las estructuras construidas átomo a átomo de plata (pequeñas colinas). En el cuadrante superior izquierdo de la imagen se muestra una jaula de letras rectangular y circular. Crédito: Lucas Schneider

La superconductividad es una de las propiedades más interesantes de los materiales que contienen estos pares de electrones: la capacidad de permitir que la corriente eléctrica pase sin resistencia. La superconductividad se ha aprovechado para muchas aplicaciones tecnológicas a lo largo de los años, como la resonancia magnética y los detectores de campos magnéticos de alta sensibilidad. Con la continua miniaturización de los dispositivos electrónicos, existe un interés creciente en comprender cómo lograr la superconductividad en dispositivos más pequeños y nanoescala estructuras

Acoplamiento de electrones en átomos artificiales.

Investigadores del Departamento de Física y del Grupo de Excelencia «CUI: Imagen Avanzada de la Materia» de la Universidad de Hamburgo han realizado el acoplamiento de electrones en un átomo artificial llamado punto cuántico, el bloque de construcción más pequeño para dispositivos electrónicos nanoestructurados. Con este fin, los experimentadores, dirigidos por el PD Prof. Jens Wiebe del Instituto de Nanoestructura y Física del Estado Sólido, atraparon electrones en diminutas jaulas que construyeron de plata, átomo por átomo.

Al acoplar los electrones bloqueados a un superconductor elemental, los electrones heredaron la tendencia hacia el emparejamiento del superconductor. Junto con un equipo de físicos teóricos de masas, dirigido por el Dr. Thor Boesky, los investigadores correlacionaron la firma experimental, un pico espectral a muy baja energía, con el estado cuántico predicho por Kazushige Machida a principios de la década de 1970 por Fumiaki Shibata.

Si bien hasta ahora el estado solo ha recuperado la detección directa mediante métodos experimentales, una investigación reciente realizada por dos equipos de los Países Bajos y Dinamarca muestra que es útil para suprimir el ruido no deseado en las transmisiones de qubit, un componente básico de las computadoras cuánticas modernas.

En un correo electrónico privado, Kazushige Machida escribió al primer autor de la publicación, el Dr. Lucas Schneider: «Gracias por ‘descubrir’ mi viejo papel hace medio siglo. Durante mucho tiempo pensé que las impurezas de los metales de transición no magnéticos producían la brecha estado, pero su ubicación está muy cerca del borde de la brecha «. superconductor y, por lo tanto, es imposible probar su existencia. Pero por su ingenioso método, por fin he verificado que es experimentalmente correcto».

Referencia: «Superconductividad aproximada en puntos cuánticos hechos átomo por átomo» por Lukas Schneider, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janice Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger y Jens Wiebe, 16 de agosto de 2023, disponible aquí. naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0