Investigadores de la Universidad de Maryland han capturado la evidencia más directa hasta la fecha de una peculiaridad cuántica que permite que las partículas atraviesen una barrera como si ni siquiera estuviera allí. El resultado, aparece en la portada del 20 de junio, Número 2019 de la revista Naturaleza , puede permitir a los ingenieros diseñar componentes más uniformes para futuras computadoras cuánticas, sensores cuánticos y otros dispositivos.

El nuevo experimento es una observación de los túneles de Klein, un caso especial de un fenómeno cuántico más común. En el mundo cuántico La formación de túneles permite que partículas como los electrones atraviesen una barrera incluso si no tienen suficiente energía para escalarla. Una barrera más alta generalmente hace que esto sea más difícil y deja pasar menos partículas.

El túnel de Klein ocurre cuando la barrera se vuelve completamente transparente, abriendo un portal que las partículas pueden atravesar independientemente de la altura de la barrera. Científicos e ingenieros del Centro de Nanofísica y Materiales Avanzados (CNAM) de la UMD, el Joint Quantum Institute (JQI) y el Condensed Matter Theory Center (CMTC), con nombramientos en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el Departamento de Física de la UMD, han realizado las mediciones más convincentes hasta ahora del efecto.

"El túnel de Klein fue originalmente un efecto relativista, predicho por primera vez hace casi cien años, "dice Ichiro Takeuchi, profesor de ciencia e ingeniería de materiales (MSE) en la UMD y autor principal del nuevo estudio. "Hasta hace poco, aunque, no podías observarlo ".

Era casi imposible recopilar pruebas de la formación de túneles de Klein donde se predijo por primera vez:el mundo de las partículas cuánticas de alta energía que se mueven cerca de la velocidad de la luz. Pero en las últimas décadas, Los científicos han descubierto que algunas de las reglas que gobiernan las partículas cuánticas de movimiento rápido también se aplican a las partículas comparativamente lentas que viajan cerca de la superficie de algunos materiales inusuales.

Uno de esos materiales, que los investigadores utilizaron en el nuevo estudio, es el hexaboruro de samario (SmB6), una sustancia que se convierte en aislante topológico a bajas temperaturas. En un aislante normal como la madera, goma o aire, los electrones están atrapados, incapaz de moverse incluso cuando se aplica voltaje. Por lo tanto, a diferencia de sus camaradas vagabundos en un alambre de metal, los electrones en un aislante no pueden conducir una corriente.

Los aislantes topológicos como SmB6 se comportan como materiales híbridos. A temperaturas suficientemente bajas, el interior de SmB6 es un aislante, pero la superficie es metálica y permite que los electrones se muevan con cierta libertad. Adicionalmente, la dirección en la que se mueven los electrones se bloquea en una propiedad cuántica intrínseca llamada espín que puede orientarse hacia arriba o hacia abajo. Los electrones que se mueven hacia la derecha siempre tendrán su giro apuntando hacia arriba, por ejemplo, y los electrones que se mueven hacia la izquierda tendrán su espín apuntando hacia abajo.

La superficie metálica de SmB6 no habría sido suficiente para detectar los túneles de Klein, aunque. Resultó que Takeuchi y sus colegas necesitaban transformar la superficie de SmB6 en un superconductor, un material que puede conducir corriente eléctrica sin ninguna resistencia.

Para convertir SmB6 en un superconductor, pusieron una fina película sobre una capa de hexaboruro de itrio (YB6). Cuando todo el conjunto se enfrió a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto, el YB6 se convirtió en un superconductor y, por su proximidad, la superficie metálica de SmB6 se convirtió en un superconductor, también.

Fue una "casualidad" que SmB6 y su pariente intercambiado con itrio compartieran la misma estructura cristalina, dice Johnpierre Paglione, profesor de física en la UMD, el director del CNAM y coautor del trabajo de investigación. "Sin embargo, el equipo multidisciplinar con el que contamos fue una de las claves de este éxito. Tener expertos en física topológica, síntesis de película fina, la espectroscopia y la comprensión teórica realmente nos llevaron a este punto, ", Añade Paglione.

La combinación resultó ser la combinación adecuada para observar los túneles de Klein. Al poner una pequeña punta de metal en contacto con la parte superior del SmB6, el equipo midió el transporte de electrones desde la punta hasta el superconductor. Observaron una conductancia perfectamente duplicada, una medida de cómo cambia la corriente a través de un material a medida que varía el voltaje a través de él.

"Cuando observamos por primera vez la duplicación, No lo creí "Takeuchi dice." Después de todo, es una observación inusual, así que le pedí a mi postdoctorado Seunghun Lee y al científico investigador Xiaohang Zhang que regresaran y volvieran a hacer el experimento ".

Cuando Takeuchi y sus colegas experimentales se convencieron de que las mediciones eran precisas, inicialmente no entendieron la fuente de la conductancia duplicada. Entonces empezaron a buscar una explicación. Victor Galitski de UMD, un miembro de JQI, profesor de física y miembro de CMTC, sugirió que el túnel de Klein podría estar involucrado.

"En primer lugar, fue solo una corazonada, ", Dice Galitski." Pero con el tiempo nos convencimos más de que el escenario de Klein puede ser en realidad la causa subyacente de las observaciones ".

Valentin Stanev, un científico investigador asociado en MSE y un científico investigador en JQI, tomó la corazonada de Galitski y elaboró ​​una teoría cuidadosa de cómo los túneles de Klein podrían surgir en el sistema SmB6, en última instancia, haciendo predicciones que coincidían bien con los datos experimentales.

La teoría sugirió que el túnel de Klein se manifiesta en este sistema como una forma perfecta de reflexión de Andreev, un efecto presente en cada límite entre un metal y un superconductor. La reflexión de Andreev puede ocurrir siempre que un electrón del metal salte sobre un superconductor. Dentro del superconductor, los electrones se ven obligados a vivir en pares, así que cuando un electrón salta, recoge a un amigo.

Para equilibrar la carga eléctrica antes y después del salto, una partícula con la carga opuesta, que los científicos llaman agujero, debe reflejarse en el metal. Este es el sello distintivo de la reflexión de Andreev:entra un electrón, vuelve a salir un agujero. Y dado que un agujero que se mueve en una dirección lleva la misma corriente que un electrón que se mueve en la dirección opuesta, todo este proceso duplica la conductancia general:la firma de Klein haciendo un túnel a través de la unión de un metal y un superconductor topológico.

En las uniones convencionales entre un metal y un superconductor, siempre hay algunos electrones que no dan el salto. Se esparcen por el límite, reduciendo la cantidad de reflexión de Andreev y evitando una duplicación exacta de la conductancia.

Pero debido a que los electrones en la superficie de SmB6 tienen su dirección de movimiento ligada a su espín, los electrones cerca del límite no pueden rebotar, lo que significa que siempre transitarán directamente hacia el superconductor.

"Los túneles de Klein también se habían visto en el grafeno, "Takeuchi dice". Pero aquí, porque es un superconductor, Diría que el efecto es más espectacular. Obtienes esta duplicación exacta y una cancelación completa de la dispersión, y no hay análogo de eso en el experimento del grafeno ".

Las uniones entre superconductores y otros materiales son ingredientes en algunas arquitecturas de computadora cuántica propuestas, así como en dispositivos de detección de precisión. La pesadilla de estos componentes siempre ha sido que cada unión es ligeramente diferente, Takeuchi dice:requiriendo un sinfín de ajustes y calibraciones para alcanzar el mejor rendimiento. Pero con el túnel de Klein en SmB6, los investigadores finalmente podrían tener un antídoto para esa irregularidad.

"En electrónica, la propagación de dispositivo a dispositivo es el enemigo número uno, "Dice Takeuchi." Aquí hay un fenómeno que elimina la variabilidad ".

El trabajo de investigación, "Perfecta reflexión de Andreev debido a la paradoja de Klein en un estado topológico superconductor, "Seunghun Lee, Valentin Stanev, Xiaohang Zhang, Drew Stasak, Jack Flores, Joshua S. Higgins, Sheng Dai, Thomas Blum, Sartén Xiaoqing, Víctor M. Yakovenko, Johnpierre Paglione, Richard L. Greene, Víctor Galitski, e Ichiro Takeuchi, fue publicado en la revista Naturaleza el 20 de junio 2019.