Estudio detecta acoplamiento de electrones en átomos artificiales, un estado cuántico esperado hace más de 50 años

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Representación 3D de algunas de las estructuras construidas átomo a átomo de plata (pequeñas colinas). En el cuadrante superior izquierdo de la imagen se muestra una jaula de letras rectangular y circular. Crédito: Lucas Schneider

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Representación 3D de algunas de las estructuras construidas átomo a átomo de plata (pequeñas colinas). En el cuadrante superior izquierdo de la imagen se muestra una jaula de letras rectangular y circular. Crédito: Lucas Schneider

Investigadores del Departamento de Física de la Universidad de Hamburgo han observado un estado cuántico que teóricos japoneses predijeron teóricamente hace más de 50 años, pero que hasta ahora ha eludido el descubrimiento. Al diseñar un átomo artificial en la superficie de un superconductor, los investigadores lograron emparejar los electrones de un llamado punto cuántico, creando así la versión más pequeña posible del superconductor. El trabajo aparece en la revista. naturaleza.

Normalmente, los electrones se repelen debido a su carga negativa. Este fenómeno tiene un impacto significativo en muchas propiedades de los materiales, como la resistencia eléctrica. La situación cambia radicalmente si los electrones se «pegan» en pares y se convierten así en bosones. Los pares de bosones no se evitan entre sí como los electrones solitarios, pero varios de ellos pueden residir en el mismo lugar o realizar el mismo movimiento.

Superconductividad Una de las propiedades más intrigantes de un material que contiene tales pares de electrones es la capacidad de permitir que la corriente eléctrica fluya a través del material sin ninguna resistencia eléctrica. Durante muchos años, la superconductividad ha encontrado muchas aplicaciones tecnológicas importantes, incluidas las imágenes de resonancia magnética o los detectores que son muy sensibles a los campos magnéticos.

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Hoy en día, la continua reducción de tamaño de los dispositivos electrónicos está guiando en gran medida las investigaciones sobre cómo inducir la superconductividad en estructuras mucho más pequeñas a nanoescala.

Investigadores del Departamento de Física y del Grupo de Excelencia «CUI: Imagen Avanzada de la Materia» de la Universidad de Hamburgo han realizado el acoplamiento de electrones en un átomo artificial llamado punto cuántico, el bloque de construcción más pequeño para dispositivos electrónicos nanoestructurados.

Con este fin, los investigadores dirigidos por el Prof. Dr. Jens Wiebe del Instituto de Nanoestructura y Física del Estado Sólido atraparon electrones en diminutas jaulas que construyeron de plata, átomo por átomo. Al acoplar los electrones bloqueados a un superconductor elemental, los electrones heredaron la tendencia hacia el emparejamiento del superconductor.

Junto con un equipo de físicos teóricos de masas, dirigido por el Dr. Thor Buskey, los investigadores vincularon la firma experimental, un pico espectral a muy baja energía, con el estado cuántico predicho por Kazushige Machida y Fumiaki Shibata a principios de la década de 1970.

Si bien hasta ahora el estado ha eludido la detección directa mediante métodos experimentales, el trabajo reciente de investigadores de los Países Bajos y Dinamarca ha demostrado que es útil para suprimir el ruido no deseado en los qubits transmoment, un componente esencial de las computadoras cuánticas modernas.

Kazushige Machida escribió al primer autor de la publicación, el Dr. Lukas Schneider: «Gracias por ‘descubrir’ mi antiguo artículo hace medio siglo. Pensé en [a] Las impurezas de metales de transición no magnéticos han producido durante mucho tiempo el estado de brecha, pero su ubicación está muy cerca del borde de la brecha superconductora. [that] Es imposible probar su existencia. Pero con su ingenioso método, finalmente confirmé la validez experimental de este método.

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más información:
Lukas Schneider et al., Superconductividad aproximada en puntos cuánticos átomo por átomo, naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0

Información del diario:
naturaleza


Proporcionado por la Universidad de Hamburgo

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