Un dispositivo in grado di separare e ricombinare coppie di elettroni può offrire un modo per studiare una forma insolita di superconduttività, secondo i fisici RIKEN. Questo stato superconduttore coinvolgerebbe particelle esotiche chiamate fermioni di Majorana che potrebbero rivelarsi utili nello sviluppo di computer quantistici.

Nei superconduttori convenzionali, la corrente elettrica scorre senza resistenza a causa degli elettroni che si uniscono per formare "coppie Cooper". Un superconduttore che tocca un conduttore normale può talvolta indurre superconduttività in quel conduttore attraverso coppie di Cooper dal superconduttore che penetra nel conduttore normale.

Ora, Sadashige Matsuo del RIKEN Center for Emergent Matter Science e colleghi hanno creato un dispositivo chiamato giunzione Josephson, che può dividere in modo efficiente queste coppie di Cooper mentre viaggiano da un superconduttore in due conduttori normali unidimensionali (Fig. 1). In precedenza, la maggior parte delle indagini sulla scissione di coppie di Cooper sono state effettuate utilizzando "punti quantici" a dimensione zero collegati da superconduttori.

Il dispositivo aveva due elettrodi di alluminio, che diventano superconduttori quando vengono raffreddati ad appena 1/20 di grado sopra lo zero assoluto. Gli elettrodi sono collegati a ponte da due nanofili semiconduttori. Il team è stato in grado di ottenere una divisione efficiente delle coppie di Cooper quando gli elettroni hanno viaggiato nei nanofili senza essere dispersi da oggetti come i punti quantici. Questo è in contrasto con gli studi precedenti.

Mentre le coppie di Cooper viaggiano tra gli elettrodi superconduttori, possono restare uniti e viaggiare lungo un singolo conduttore di nanofili, un effetto noto come tunneling di coppia locale, oppure possono dividersi in modo che ogni elettrone viaggi attraverso un diverso nanofilo. Nonostante la loro separazione fisica, i due elettroni sono collegati tramite un effetto chiamato entanglement quantistico.

Mettendo a punto la tensione che controllava il flusso di elettroni, il team ha assicurato che più della metà delle coppie Cooper si dividessero mentre viaggiavano attraverso i nanofili, dimostrando che il dispositivo potrebbe sopprimere il tunneling di coppia locale (a causa delle interazioni elettrone-elettrone nei nanofili). Raggiunto l'altro lato, gli elettroni si ricombinano in coppie di Cooper. I ricercatori hanno anche scoperto che l'applicazione di un campo magnetico ha frenato la scissione della coppia di Cooper più del tunneling della coppia locale.

Questi risultati indicano che il dispositivo potrebbe essere utilizzato per generare quello che è noto come stato superconduttore topologico, in cui la sovrapposizione di un elettrone e di una lacuna genera fermioni di Majorana, un particolare tipo di particella equivalente alla propria antiparticella. I fermioni di Majorana sono interessanti perché potrebbero essere usati come "bit" quantistici che trasportano informazioni in alcuni tipi di computer quantistici, che promettono di avere una potenza di elaborazione molto maggiore di quella consentita dalle tecnologie convenzionali.

"Il nostro prossimo passo è cercare le impronte digitali dei fermioni di Majorana nelle giunzioni superconduttrici di un doppio nanofilo, "dice Matsuo.