Investigadores miden una señal de interferencia superconductora a escala atómica

Este esquema muestra la unión del túnel con la punta funcionalizada por una impureza magnética, que induce el estado YSR a través de un acoplamiento de impureza-superconductor. Tanto la punta como la muestra son superconductoras, de modo que soportan una corriente de Josephson. La unión del túnel entre la punta y la muestra tiene dos canales de transporte. Un canal de transporte incluye el estado YSR y el otro no incluye ningún estado adicional (BCS). La interferencia entre estos canales de transporte cambia la corriente de Josephson, que proporciona información sobre el estado fundamental de la impureza YSR. Crédito:Karan et al.

Los superconductores, materiales que pueden conducir electricidad sin resistencia a bajas temperaturas, tienen muchas propiedades interesantes y ventajosas. En los últimos años, físicos e informáticos han estado investigando su potencial para diferentes aplicaciones, incluida la tecnología de computación cuántica.

Las impurezas magnéticas acopladas a un superconductor pueden producir los llamados estados Yu-Shiba-Rusinov (YSR) dentro de la brecha superconductora. Cuando aumenta el acoplamiento de estas impurezas a los superconductores, el estado YSR sufre una transición de fase cuántica, lo que hace que cambie el estado fundamental del material. Si bien muchos físicos han investigado los estados YSR y su transición de fase cuántica en los últimos años, su efecto en el estado fundamental de los superconductores aún no se conoce bien.

Investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, la Universidad de Ulm, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR), la Universidad de Uppsala y la Universidad Autónoma de Madrid han llevado a cabo recientemente un estudio destinado a recopilar nuevos conocimientos sobre los cambios en el estado fundamental asociados con los estados YSR. Su estudio, presentado en Nature Physics , condujo a la observación detallada de un cambio en la llamada corriente de Josephson como una firma de la transición de fase del estado YSR.

"Si bien los estados YSR se han estudiado ampliamente en los últimos años y hay indicaciones indirectas de que el estado YSR sufre una transición de fase cuántica, falta una indicación directa de cómo cambia el estado fundamental", dijo Christian Ast, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, le dijo a Phys.org. "Básicamente, se podía observar la transición de fase cuántica, pero nunca estuvo del todo claro de qué lado de la transición de fase cuántica estaba uno. Si el acoplamiento de intercambio es débil, el espín de impureza es libre (el estado YSR está vacío en el estado fundamental ) y si el acoplamiento de intercambio es fuerte, el giro de la impureza se filtra ocupando el estado YSR en el estado fundamental".

Cuando se acoplan a superconductores, los espines en puntos cuánticos crean lo que se conoce como unión p-Josephson, una inversión en la supercorriente del material que se puede observar midiendo la corriente de Josephson, también conocida como supercorriente o corriente de par de Cooper. Ast y sus colegas se dispusieron a medir la corriente de Josephson a través de un estado YSR y a través de la transición de fase cuántica de este estado.

"La corriente de Josephson puede decirnos de qué lado de la transición de fase cuántica se encuentra el estado YSR", explicó Ast.

En primer lugar, los investigadores utilizaron un mK-STM, un microscopio de túnel de barrido que funciona a una temperatura base de 10 mK, para medir localmente una sola impureza con un estado YSR en su muestra. Sus experimentos se llevaron a cabo en el Laboratorio de Precisión del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido, que alberga el mK-STM.

"Para observar la inversión de la supercorriente, tuvimos que emplear un detalle muy complicado", dijo Ast. "La inversión de la supercorriente se debe a un cambio de fase en la unión del túnel. Para ser precisos, la fase cambia en p, es decir, 180 grados, lo que equivale a un cambio de signo, razón por la cual estas uniones se conocen como uniones p. y supongo que este cambio de signo acuñó el término 'reversión de supercorriente'".

Los cambios de fase como los probados por Ast y sus colegas son muy difíciles de detectar experimentalmente. Por lo general, la detección de estos cambios requiere un segundo cruce de túnel que se puede utilizar como cruce de referencia. Hasta ahora, la mayoría de los investigadores han detectado cambios de fase utilizando lo que se conoce como dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID).

Los SQUID son dispositivos muy sensibles que pueden detectar y medir campos magnéticos sutiles, corrientes, voltajes o desplazamientos. Estos dispositivos se basan en el efecto Josephson y miden los cambios en las corrientes de Josephson.

"Hemos imitado un dispositivo de este tipo explotando un segundo canal de transporte en nuestro cruce de túneles, que sirve como cruce de referencia", dijo Ast. "Como resultado, vemos una interferencia constructiva en un lado de la transición de fase cuántica y una interferencia destructiva entre los dos canales en el otro lado, que se manifiesta en un cambio en la magnitud de la corriente de Josephson".

Durante su estudio, Ast y sus colegas introdujeron lo que podría describirse como el dispositivo SQUID más pequeño desarrollado hasta el momento. Usando este dispositivo, detectaron la transición 0-p en el estado YSR producido por una impureza magnética dentro de un semiconductor.

"La principal diferencia entre un SQUID convencional y nuestro dispositivo es que no tenemos un bucle superconductor por el que podamos pasar un campo magnético para sintonizar la fase", explicó Ast. Por lo tanto, solo podemos detectar un cambio de signo, que es suficiente para nuestro propósito. Con nuestro dispositivo, detectamos con éxito el cambio de fase en la transición 0-p del estado YSR a lo largo de la transición de fase cuántica".

Este cambio en la corriente de Josephson medido por este equipo de investigadores es una firma clara de un cambio en el estado fundamental producido por el estado YSR durante su transición de fase cuántica. Ast y sus colegas pudieron detectar este cambio al explotar la interferencia entre dos canales de efecto túnel en el efecto Josephson por primera vez, utilizando así su SQUID "en miniatura" como sensor.

En sus próximos estudios, los investigadores esperan obtener nuevos conocimientos sobre los cambios de fase en los superconductores utilizando el sensor presentado en su artículo y otros dispositivos nuevos. En última instancia, su misión es revelar nuevos límites cuánticos al reducir los sistemas a su mínimo, suprimiendo sus interacciones y reduciéndolos al nivel atómico.

"La física de estos sistemas se puede modelar mediante teorías comparativamente simples, lo que hace que el resultado sea hermoso", agregó Ast. "Este trabajo es un hito en esta búsqueda de nuevos límites cuánticos. Aparte de este objetivo general, buscamos explotar esta sensibilidad de fase recién descubierta en las puntas YSR funcionalizadas para detectar otros fenómenos exóticos". + Explora más