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超导电子对在物理上是分开的,但却通过量子纠缠“连接”在一起!

TIME:2020-06-12   click:

RIKEN物理学家认为,一种可以分离和重组电子对的仪器设备,可能会提供一种研究一种不寻常形式的超导电性方法。这种超导状态将包括一种叫做马约拉纳费米子的奇异粒子,这种粒子可能会被证明对发展量子计算机很有用。在传统超导体中,由于电子聚集在一起形成“库珀对”,电流在没有电阻的情况下流动。超导体接触正常导体时,有时会通过穿过正常导体的超导体库珀对在该导体中感应超导电性。现在,科学家已经创造了一种名为约瑟夫森结的设备:

它可以有效地将这些库珀对从超导体分裂成两个一维正常的导体。以前,大多数库珀对分裂的研究,都是利用超导体连接的零维“量子点”来完成。该装置有两个铝电极,当冷却到仅比绝对零度高出1/20度时,铝电极就会超导,电极由两根半导体纳米线连接。当电子在纳米线中移动时,该团队能够实现库珀对的有效分裂,而不会被量子点等物体散射。这与以往的研究形成了鲜明对比,当库珀对在超导电极之间移动时,它们可以粘在一起,沿着单一的纳米线导体移动。

这种效应被称为局部对隧道效应,或者它们可以分开,使每个电子通过不同的纳米线。尽管这两个电子在物理上是分开的,但它们通过一种称为量子纠缠的效应连接在一起。通过微调控制电子流的电压,研究小组确保了超过一半的库珀对在穿过纳米线时分裂,证明了该设备可以抑制局部对隧穿(由于纳米线中的电子-电子相互作用)。到达另一边后,电子重新组合成库珀对。研究人员还发现,施加磁场比局部对隧穿更能抑制库珀对分裂。

这些结果表明,该装置可以用来产生所谓的拓扑超导状态,在这种状态下,一个电子和一个空穴的叠加会产生马约拉纳费米子,这是一种特殊的粒子,相当于它自己的反粒子。人们对马约拉纳费米子感兴趣,因为可以在某些类型的量子计算机中,用作携带信息的量子“比特”,这种计算机有望拥有比传统技术所能的更大处理能力。研究人员的下一步研究是在双纳米线超导结中寻找马约拉纳费米子的指纹。库珀对分裂(CPS)可以在耦合到超导体的两个正常导体之间产生非局域关联。

双一维电子气中的库珀对分裂是提取大量纠缠电子对的合适平台,是设计无磁场马约拉纳费米子的关键成分之一。在这项研究中,利用门可调弹道InAs双纳米线的约瑟夫森结来研究库珀对分裂。测量到进入两根纳米线的开关电流明显大于进入各自纳米线的开关电流之和,表明与线内超导相比,线间超导占主导地位。根据其对纳米线中传播通道数目的依赖关系,将观察到的库珀对分裂指定为一维电子与电子的相互作用。

博科园|研究/来自:RIKEN参考期刊《科学进展》DOI: 10.1126/sciadv.aaw2194博科园|科学、科技、科研、科普

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