Micrografía de microscopio electrónico de barrido de un nanoalambre semiconductor, hecho de arseniuro de indio, conectado eléctricamente a un superconductor y un metal normal. La ubicación en el nanoalambre de los dos espines, los imanes microscópicos, se ilustra con las flechas. En este caso, los imanes microscópicos se crean mediante giros de electrones. Crédito:Instituto Niels Bohr
Los científicos del Instituto Niels Bohr de la Universidad de Copenhague han, por primera vez, logró producir, controlar y comprender estados cuánticos complejos basados en dos espines de electrones conectados a un superconductor. El resultado ha sido publicado en Comunicaciones de la naturaleza , y ha surgido en una colaboración entre los científicos del Instituto Niels Bohr, un científico del exterior y por último, pero no menos importante, un estudiante de tesis de maestría.
La tecnología cuántica se basa en comprender y controlar los estados cuánticos en p. Ej. Dispositivos nanoelectrónicos con componentes a nanoescala. El control puede realizarse mediante señales eléctricas, como en los componentes de una computadora. Los dispositivos son significativamente más complejos, cuando se trata de componentes cuánticos a nanoescala, y los científicos todavía están examinando e intentando comprender los fenómenos que surgen en esta pequeña escala. En este caso se trata de los estados cuánticos en dispositivos nanoelectrónicos hechos de nanocables semiconductores y material superconductor. Esto requiere comprender dos fenómenos fundamentales en la física moderna, magnetismo y superconductividad.
Acumular nuevos conocimientos es como jugar con bloques de construcción
Los científicos han definido imanes microscópicos eléctricamente a lo largo de un nanoalambre semiconductor. Esto se hace colocando un espín de un electrón cerca de un superconductor y luego observando cómo cambia los estados cuánticos. Al colocar dos imanes microscópicos en lugar de uno, como se ha hecho antes, surgen las posibilidades de observar nuevos estados cuánticos. De esta manera, los científicos acumulan conocimiento agregando cada vez más complejidad a los sistemas. "Es un poco como jugar con bloques de construcción. Inicialmente controlamos un solo espín de electrón, luego ampliamos a dos, podemos modificar el acoplamiento entre ellos, sintonizar las propiedades magnéticas, etc. Algo así como construir una casa con cada ladrillo adicional aumentando nuestro conocimiento de estos estados cuánticos. ", dice Kasper Grove-Rasmussen, quien se ha encargado de la parte experimental del trabajo.
Modelo 3D del dispositivo Yu-Shiba-Rusinov. Se definen dos espines de electrones a lo largo del nanoalambre, colocando los voltajes apropiados en los diminutos electrodos debajo del nanoalambre. Al acoplar los espines al superconductor, se pueden realizar estados de Yu-Shiba-Rusinov. La observación de estos estados se logra analizando la corriente a través del dispositivo desde el metal normal hasta el superconductor. Crédito:Instituto Niels Bohr
La teoría cuántica de 1960 revitalizada en nano dispositivos
Se trata de categorizar los diferentes estados cuánticos y sus relaciones entre sí, para obtener una visión general de cómo interactúan las partes individuales. Durante la década de 1960, se hizo la base teórica para este trabajo, como tres físicos, L. Yu, H. Shiba y A.I. Rusinov publicó tres trabajos teóricos independientes sobre cómo las impurezas magnéticas en la superficie del superconductor pueden causar nuevos tipos de estados cuánticos. Los Estados, ahora logrado experimentalmente por los científicos del Instituto Niels Bohr, llevan el nombre de los físicos:afirma Yu-Shiba-Rusinov. Pero son significativamente más complejos que los estados de Yu-Shiba-Rusinov con un solo giro logrado anteriormente. Este podría ser un paso en el camino hacia estructuras más complejas que mejorarían nuestra comprensión de los posibles componentes de la computadora cuántica. basado en materiales semiconductores-superconductores. Kasper Grove-Rasmussen enfatiza que lo que están haciendo ahora es investigación básica.
Gorm Steffensen, ahora un Ph.D. estudiante del Instituto Niels Bohr, estaba escribiendo su tesis de maestría en el momento del artículo, y ha jugado un papel importante en el resultado. Estaba estudiando física teórica y ha colaborado con su supervisor, Jens Paaske, sobre la descripción teórica de los fenómenos cuánticos. Entonces, el artículo también demuestra que la colaboración sobre un resultado científico en el Instituto Niels Bohr puede incluir a los estudiantes. La tarea de Gorm Steffensen fue desarrollar un modelo teórico que abarcara todos los fenómenos de los experimentos en colaboración con su supervisor y el científico esloveno, Rok Žitko, sobre. Los nanocables del experimento fueron desarrollados por Ph.D. estudiantes del grupo de investigación del profesor Jesper Nygaard. Es un modus operandi común para los científicos del Instituto Niels Bohr trabajar juntos, aplicando muchas competencias diferentes en todos los niveles científicos, de alumno a profesor.
