‘Andreev-chemie’ op een nanodraad: onderzoekers genereren supergeleidende paartoestanden gescheiden door volwassen barrières

Onderzoekers van de Universiteit van Basel en de Universiteit van Lund hebben supergeleidende paartoestanden van elektronen gegenereerd op verschillende segmenten van een nanodraad, gescheiden door volwassen barrières. Afhankelijk van de hoogte van de barrières kunnen deze paartoestanden worden gekoppeld en gefuseerd.

De resultaten zijn gepubliceerd in Communicatie Fysica en belangrijke inzichten verschaffen voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtoestanden.

In een supergeleider vormen elektronen een soort paar dat resulteert in nieuwe materiaaleigenschappen zoals dissipatieloze stromen. Als een halfgeleidend materiaal in contact wordt gebracht met een supergeleider, kunnen de elektronen van een halfgeleider ook in vergelijkbare paartoestanden terechtkomen die bekend staan ​​als Andreev-gebonden toestanden (ABS’s).

Dergelijke toestanden die zich vormen op individuele, lange, dunne kristallen – zogenaamde nanodraden – zijn de afgelopen jaren de focus geworden van toenemend onderzoek, omdat ze bijzonder goede informatiedragers kunnen zijn.

Analogieën met chemie

Onderzoekers in het team van professor Christian Schönenberger en dr. Andreas Baumgartner van de afdeling Natuurkunde en het Swiss Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel en collega’s van de Universiteit van Lund zijn er nu in geslaagd om dergelijke paartoestanden te genereren op drie segmenten van een nanodraad, die gescheiden zijn door barrières die in het kristal zijn gegroeid. De wetenschappers zijn in staat om de hoogte van de barrières te manipuleren met behulp van een elektrische spanning.

“We kunnen de respectieve toestanden identificeren aan de hand van kenmerken in de elektrische stroom”, legt de eerste auteur van de publicatie, dr. Christian Jünger, uit. Als de barrières groot zijn, vormen zich individuele, onafhankelijke Andreev-gebonden toestanden op de twee segmenten nabij een supergeleider.

Analoog aan de toestanden van één elektron in natuurlijke atomen in de chemie, kunnen deze worden beschouwd als Andreev-atomen. Wanneer de barrières tussen de segmenten worden verkleind, worden de ABS’s gekoppeld en vormen ze toestanden die vaak Andreev-moleculen worden genoemd.

Wanneer de onderzoekers de barrières bijna volledig verlagen, ontstaan ​​paartoestanden die zich over de hele nanodraad uitstrekken en elektrische stroom geleiden zonder dissipatie – een fenomeen dat bekend staat als het Josephson-effect. “Dit komt overeen met een fusie van de oorspronkelijke Andreev-gebonden toestanden in Andreev-helium – vergelijkbaar met gefuseerde waterstofatomen”, zegt Dr. Andreas Baumgartner.

In toekomstige experimenten zullen onderzoekers dit fusieproces onderzoeken met een vergelijkbaar type paartoestanden, de zogenaamde Majorana-gebonden toestanden, en daarmee een belangrijke stap zetten naar toepassing voor kwantumcomputers.