I ricercatori misurano una firma di interferenza superconduttrice su scala atomica

Questo schema mostra la giunzione del tunnel con la punta funzionalizzata da un'impurità magnetica, che induce lo stato YSR attraverso un accoppiamento impurità-superconduttore. Sia la punta che il campione sono superconduttori, in modo tale da supportare una corrente Josephson. La giunzione a tunnel tra punta e campione ha due canali di trasporto. Un canale di trasporto include lo stato YSR e l'altro non include stati aggiuntivi (BCS). L'interferenza tra questi canali di trasporto cambia la corrente Josephson, che fornisce informazioni sullo stato fondamentale dell'impurità YSR. Credito:Karan et al.

I superconduttori, materiali che possono condurre elettricità senza resistenza alle basse temperature, hanno molte proprietà interessanti e vantaggiose. Negli ultimi anni, fisici e informatici hanno studiato il loro potenziale per diverse applicazioni, inclusa la tecnologia di calcolo quantistico.

Le impurità magnetiche accoppiate a un superconduttore possono produrre i cosiddetti stati Yu-Shiba-Rusinov (YSR) all'interno del gap superconduttore. Quando l'accoppiamento di queste impurità ai superconduttori aumenta, lo stato YSR subisce una transizione di fase quantistica, causando il cambiamento dello stato fondamentale del materiale. Mentre molti fisici hanno studiato gli stati YSR e la loro transizione di fase quantistica negli ultimi anni, il loro effetto sullo stato fondamentale dei superconduttori è ancora poco compreso.

I ricercatori dell'Istituto Max Planck per la ricerca sullo stato solido, l'Università di Ulm, il Centro aerospaziale tedesco (DLR), l'Università di Uppsala e l'Università autonoma di Madrid hanno recentemente condotto uno studio volto a raccogliere nuove informazioni sui cambiamenti dello stato fondamentale associati agli stati YSR. Il loro studio, pubblicato su Fisica della natura , ha portato all'osservazione dettagliata di un cambiamento nella cosiddetta corrente Josephson come segno della transizione di fase dello stato YSR.

"Sebbene gli stati YSR siano stati ampiamente studiati negli ultimi anni e ci siano indicazioni indirette che lo stato YSR subisca una transizione di fase quantistica, è mancata un'indicazione diretta di come lo stato fondamentale cambia", Christian Ast, uno dei ricercatori che ha portato fuori dallo studio, ha detto a Phys.org. "Fondamentalmente, la transizione di fase quantistica potrebbe essere osservata, ma non è mai stato del tutto chiaro da che parte si trovasse la transizione di fase quantistica. Se l'accoppiamento di scambio è debole, lo spin dell'impurità è libero (lo stato YSR è vuoto nello stato fondamentale ) e se l'accoppiamento di scambio è forte, la rotazione delle impurità viene schermata occupando lo stato YSR nello stato fondamentale."

Quando accoppiati a superconduttori, gli spin nei punti quantici creano quella che è nota come giunzione p-Josephson, un'inversione nella supercorrente del materiale che può essere osservata misurando la corrente Josephson, nota anche come supercorrente o corrente di coppia di Cooper. Ast e i suoi colleghi hanno quindi deciso di misurare la corrente Josephson attraverso uno stato YSR e attraverso la transizione di fase quantistica di questo stato.

"La corrente Josephson può dirci da che parte della transizione di fase quantistica si trova lo stato YSR", ha spiegato Ast.

In primo luogo, i ricercatori hanno utilizzato un mK-STM, un microscopio a effetto tunnel che opera a una temperatura di base di 10 mK, per misurare localmente una singola impurità con uno stato YSR nel loro campione. I loro esperimenti sono stati condotti presso il Precision Lab del Max Planck Institute for Solid State Research, che ospita l'mK-STM.

"Per osservare l'inversione della supercorrente, abbiamo dovuto impiegare un dettaglio molto complicato", ha detto Ast. "L'inversione della supercorrente è dovuta a uno spostamento di fase attraverso la giunzione del tunnel. Per essere precisi, gli sfasamenti si spostano di p, cioè 180 gradi, che equivale a un cambiamento di segno, motivo per cui queste giunzioni sono indicate come p-junctions e suppongo che questo cambiamento di segno abbia coniato il termine 'inversione supercorrente'".

I cambiamenti di fase come quelli sondati da Ast e dai suoi colleghi sono molto difficili da rilevare sperimentalmente. In genere, il rilevamento di queste modifiche richiede una seconda giunzione a tunnel che può essere utilizzata come giunzione di riferimento. Finora, la maggior parte dei ricercatori ha rilevato cambiamenti di fase utilizzando quello che è noto come un dispositivo di interferenza quantistica superconduttore (SQUID).

Gli SQUID sono dispositivi molto sensibili in grado di rilevare e misurare sottili campi magnetici, correnti, tensioni o spostamenti. Questi dispositivi si basano sull'effetto Josephson e misurano i cambiamenti nelle correnti Josephson.

"Abbiamo imitato un tale dispositivo sfruttando un secondo canale di trasporto nella nostra giunzione del tunnel, che funge da giunzione di riferimento", ha affermato Ast. "Di conseguenza, vediamo un'interferenza costruttiva su un lato della transizione di fase quantistica e un'interferenza distruttiva tra i due canali sull'altro lato, che si manifesta in un cambiamento nell'intensità della corrente Josephson."

Durante il loro studio, Ast e i suoi colleghi hanno introdotto quello che potrebbe essere descritto come il più piccolo dispositivo SQUID sviluppato finora. Utilizzando questo dispositivo, hanno rilevato la transizione 0-p nello stato YSR prodotta da un'impurità magnetica all'interno di un semiconduttore.

"La principale differenza tra uno SQUID convenzionale e il nostro dispositivo è che non abbiamo un circuito superconduttore attraverso il quale possiamo far passare un campo magnetico per regolare la fase", ha spiegato Ast. Pertanto, possiamo rilevare solo un cambiamento di segno, che è abbastanza per il nostro scopo. Con il nostro dispositivo, abbiamo rilevato con successo il cambiamento di fase nella transizione 0-p dello stato YSR attraverso la transizione di fase quantistica."

Questo cambiamento nella corrente Josephson misurata da questo team di ricercatori è una chiara firma di un cambiamento nello stato fondamentale prodotto dallo stato YSR durante la sua transizione di fase quantistica. Ast e i suoi colleghi sono stati in grado di rilevare questo cambiamento sfruttando per la prima volta l'interferenza tra due canali di tunneling nell'effetto Josephson, utilizzando così il loro SQUID "in miniatura" come sensore.

Nei loro prossimi studi, i ricercatori sperano di raccogliere nuove informazioni sui cambiamenti di fase nei superconduttori utilizzando il sensore introdotto nel loro articolo e altri nuovi dispositivi. In definitiva, la loro missione è svelare nuovi limiti quantistici riducendo i sistemi al minimo indispensabile, sopprimendo le loro interazioni e riducendoli al livello atomico.

"La fisica di questi sistemi può essere modellata da teorie relativamente semplici, il che rende il risultato bellissimo", ha aggiunto Ast. "Questo lavoro è una pietra miliare in questa ricerca di nuovi limiti quantistici. A parte questo obiettivo generale, stiamo cercando di sfruttare questa sensibilità di fase recentemente scoperta nelle punte YSR funzionalizzate per rilevare altri fenomeni esotici". + Esplora ulteriormente