Гибридные материалы, состоящие из магнитов и сверхпроводников, порождают удивительные квантовые явления, которые настолько чувствительны, что крайне важно измерять их с минимальным вмешательством. Исследователи из Гамбургского университета и Чикагского университета Иллинойса экспериментально и теоретически доказали, как можно обнаруживать и контролировать эти квантовые явления на больших расстояниях с помощью специальных методов со сканирующим туннельным микроскопом.
Их выводы, которые могут быть важны для топологических квантовых компьютеров, были опубликованы в журнале Nature Physics.
Обычно так называемые квазичастицы Ю-Шиба-Русинова можно измерить с высокой вероятностью обнаружения только непосредственно в месте расположения атома с помощью наконечника сканирующего туннельного микроскопа.
Команде под руководством доктора Йенса Вибе из Института физики наноструктур и твёрдого тела Гамбургского университета и Чикагского университета Иллинойса удалось измерить это квантовое состояние на расстоянии, более чем в 20 раз превышающем его первоначальную протяжённость, тем самым минимизировав помехи, вызванные измерительным зондом.
Как это работает
Исследователи поместили магнитный атом в «загон», созданный с помощью наконечника сканирующего туннельного микроскопа из 91 атома серебра на поверхности сверхпроводящего кристалла серебра. Они точно рассчитали размер этого квантового «загона» так, чтобы одно из квантовых состояний электронов серебра, заключённых в нём, было точно на уровне Ферми.
Для «загона», показанного на изображении выше, это было состояние с четырьмя антиузлами. Исследователи поместили магнитный атом на самый левый антиузел и определили пространственное распределение дифференциальной проводимости при энергии квазичастицы Ю-Шиба-Русинова как меру её локальной плотности вероятности.
«Примечательно, что квазичастицу Ю-Шиба-Русинова всё ещё можно было обнаружить даже в самом правом «животе» состояния «загона» — в точке, наиболее удалённой от магнитного атома, — говорит Вибе, исследователь из кластера передового опыта «CUI: Advanced Imaging of Matter». — При этом вероятность её появления не уменьшалась заметно с расстоянием от атома».
Исследователи наблюдали тот же эффект в симуляциях, включающих модель сильной связи. Сравнение этих данных с измерениями показало, что наблюдаемое явление представляет собой пространственно когерентное квантовое состояние, состоящее из куперовских пар как в объёме, так и на поверхности кристалла серебра. Более того, команда продемонстрировала, что квантовый состав этой проекции Ю-Шиба-Русинова — её содержание частиц и дырок — можно манипулировать, регулируя размер и форму квантового «загона».
Эта техника позволяет измерять хрупкие квантовые состояния гибридов магнитных сверхпроводников с помощью локального зонда, минимизируя при этом разрушительное влияние зонда. В будущем исследователи намерены применить эту технику к майорановским квазичастицам, поскольку они имеют большой потенциал для разработки новых топологических квантовых компьютеров. Кроме того, квантовые «загоны» потенциально могут использоваться для управления взаимодействием между квазичастицами в нескольких гибридах магнитов и сверхпроводников.
Предоставлено Гамбургским университетом.