Il vantaggio più evidente dei superconduttori, ovvero materiali che non offrono resistenza elettrica al flusso di elettroni, nei circuiti elettronici è che non producono alcun riscaldamento dispendioso, che limita l'efficienza energetica dei circuiti convenzionali.

Ma hanno anche un altro grande vantaggio. La superconduttività nasce a causa delle interazioni quantomeccaniche tra gli elettroni. Questi effetti esotici potrebbero essere sfruttati nei dispositivi, fornendo loro un'ampia gamma di funzionalità non disponibili nei dispositivi convenzionali.

Ora, Sadashige Matsuo del RIKEN Center for Emergent Matter Science e colleghi hanno studiato proprio questo effetto. Conosciuta come molecola di Andreev, potrebbe essere utilizzata per le tecnologie dell’informazione quantistica nei futuri computer quantistici. L'articolo è pubblicato sulla rivista Nature Communications .

L'elemento base dei circuiti superconduttori è la giunzione Josephson:un dispositivo realizzato inserendo un materiale normale tra due superconduttori, in grado di controllare il flusso della supercorrente.

Quando il materiale normale si interfaccia con i superconduttori, un elettrone nel materiale normale viene riflesso come una lacuna e nel superconduttore viene generata una coppia di elettroni. Questa riflessione forma stati legati nel materiale normale della giunzione Josephson, i cosiddetti stati legati di Andreev.

Se due giunzioni Josephson sono abbastanza vicine, possono formare una molecola di Andreev collegandosi tra loro. Matsuo e i suoi collaboratori si sono concentrati sulle due giunzioni Josephson che condividevano un breve elettrodo superconduttore. Nella struttura, si prevede che gli stati legati di Andreev nelle diverse giunzioni si colleghino tra loro attraverso l'elettrodo condiviso.

"Quando esistono queste molecole di Andreev, una giunzione Josephson può controllare un'altra giunzione Josephson", spiega Matsuo. "E poi emergono fenomeni di trasporto superconduttori esotici e utili, come l'effetto del diodo Josephson, un effetto che potrebbe portare a raddrizzatori meno dissipativi nei circuiti superconduttori."

Matsuo e i suoi collaboratori realizzarono due giunzioni Josephson con un sottile strato di arseniuro di indio. Li hanno poi accoppiati insieme attraverso un elettrodo superconduttore condiviso fatto di alluminio, che è superconduttore a temperature molto basse.

Il team ha studiato le proprietà elettroniche di questa struttura misurando la corrente di tunneling alle giunzioni a varie tensioni applicate e intensità del campo magnetico, una tecnica chiamata spettroscopia di tunneling. Ciò ha permesso loro di osservare i livelli energetici nelle giunzioni Josephson corrispondenti alle molecole di Andreev.

"I ricercatori avevano precedentemente riportato la caratterizzazione spettroscopica delle molecole di Andreev nelle diverse strutture del dispositivo", afferma Matsuo. "Ma ora siamo riusciti a osservarli nelle giunzioni Josephson accoppiate e a dimostrare per la prima volta la loro controllabilità.

"Il nostro lavoro fornisce informazioni fondamentali sulla molecola di Andreev. E aprirà la strada all'ingegneria di fenomeni esotici di trasporto superconduttori nelle giunzioni Josephson accoppiate in futuro."