Micrografia al microscopio elettronico a scansione di un nanofilo a semiconduttore, a base di arseniuro di indio, collegato elettricamente a un superconduttore e un metallo normale. La posizione sul nanofilo dei due spin - i magneti microscopici - è illustrata dalle frecce. In questo caso i magneti microscopici sono creati da spin di elettroni. Credito:Istituto Niels Bohr
Gli scienziati dell'Istituto Niels Bohr dell'Università di Copenaghen hanno, per la prima volta, riuscito a produrre, controllare e comprendere stati quantistici complessi basati su due spin di elettroni collegati a un superconduttore. Il risultato è stato pubblicato su Comunicazioni sulla natura , ed è nato da una collaborazione tra gli scienziati del Niels Bohr Institute, uno scienziato dall'estero e ultimo, ma non meno importante, uno studente di tesi magistrale.
La tecnologia quantistica si basa sulla comprensione e il controllo degli stati quantistici ad es. dispositivi nanoelettronici con componenti su scala nanometrica. Il controllo potrebbe avvenire tramite segnali elettrici, come nei componenti di un computer. I dispositivi sono solo significativamente più complessi, quando abbiamo a che fare con componenti quantistici su scala nanometrica, e gli scienziati stanno ancora esaminando e tentando di comprendere i fenomeni che sorgono su questa piccola scala. In questo caso si tratta degli stati quantistici nei dispositivi nanoelettronici realizzati con nanofili semiconduttori e materiale superconduttore. Ciò richiede la comprensione di due fenomeni fondamentali nella fisica moderna, magnetismo e superconduttività.
Accumulare nuove conoscenze è come giocare con i mattoni
Gli scienziati hanno definito elettricamente magneti microscopici lungo un nanofilo semiconduttore. Questo viene fatto posizionando uno spin di un elettrone vicino a un superconduttore e quindi osservando come cambia gli stati quantistici. Posizionando due microscopici magneti invece di uno, come è stato fatto prima, nascono le possibilità di osservare nuovi stati quantistici. In questo modo gli scienziati accumulano conoscenza aggiungendo sempre più complessità ai sistemi. "È un po' come giocare con i mattoni. Inizialmente controlliamo un singolo spin di elettroni, quindi ci espandiamo a due, possiamo modificare l'accoppiamento tra loro, sintonizzare le proprietà magnetiche ecc. Un po' come costruire una casa con ogni mattone in più che aumenta la nostra conoscenza di questi stati quantistici.", dice Kasper Grove-Rasmussen, che ha curato la parte sperimentale del lavoro.
Modello 3-D del dispositivo Yu-Shiba-Rusinov. Due spin di elettroni sono definiti lungo il nanofilo, posizionando tensioni appropriate sui minuscoli elettrodi sotto il nanofilo. Accoppiando gli spin al superconduttore si possono realizzare stati di Yu-Shiba-Rusinov. L'osservazione di questi stati si ottiene analizzando la corrente attraverso il dispositivo dal metallo normale al superconduttore. Credito:Istituto Niels Bohr
La teoria quantistica del 1960 rivitalizzata nei nano dispositivi
Si tratta di categorizzare i diversi stati quantistici e le loro relazioni reciproche, al fine di ottenere una panoramica di come interagiscono le singole parti. Durante gli anni Sessanta, la base teorica per questo lavoro è stata fatta, come tre fisici, L. Yu, H. Shiba e A.I. Rusinov ha pubblicato tre lavori teorici indipendenti su come le impurità magnetiche sulla superficie del superconduttore possono causare nuovi tipi di stati quantistici. Gli Stati, ora raggiunto sperimentalmente dagli scienziati del Niels Bohr Institute, prendono il nome dai fisici:afferma Yu-Shiba-Rusinov. Ma sono significativamente più complessi degli stati di Yu-Shiba-Rusinov con un singolo giro precedentemente ottenuto. Questo potrebbe essere un passo verso strutture più complesse che migliorerebbero la nostra comprensione dei potenziali componenti dei computer quantistici, basati su materiali semiconduttori-superconduttori. Kasper Grove-Rasmussen sottolinea che ciò che stanno facendo ora è la ricerca di base.
Gorm Steffensen, ora un dottorato di ricerca studente presso l'Istituto Niels Bohr, stava scrivendo la sua tesi di laurea al momento dell'articolo, e ha giocato un ruolo importante per il risultato. Studiava fisica teorica e ha collaborato con il suo supervisore, Jens Paaske, sulla descrizione teorica dei fenomeni quantistici. Quindi l'articolo dimostra anche che la collaborazione su un risultato scientifico presso l'Istituto Niels Bohr può includere gli studenti. Il compito di Gorm Steffensen era quello di sviluppare un modello teorico che racchiudesse tutti i fenomeni negli esperimenti in collaborazione con il suo supervisore e lo scienziato sloveno, Rok itko, Su. I nanofili nell'esperimento sono stati sviluppati da Ph.D. studenti del gruppo di ricerca del professor Jesper Nygaard. È un modus operandi comune per gli scienziati del Niels Bohr Institute lavorare insieme, applicare molte competenze diverse a tutti i livelli scientifici, da studente a professore.
