現(xiàn)在一種可以分離和重組電子對(duì)的儀器設(shè)備，可能會(huì)提供一種研究一種不尋常形式的超導(dǎo)電性方法。這種超導(dǎo)狀態(tài)將包括一種叫做馬約拉納費(fèi)米子的奇異粒子，這種粒子可能會(huì)被證明對(duì)發(fā)展量子計(jì)算機(jī)很有用。

在傳統(tǒng)超導(dǎo)體中，由于電子聚集在一起形成“庫(kù)珀對(duì)”，電流在沒(méi)有電阻的情況下流動(dòng)。超導(dǎo)體接觸正常導(dǎo)體時(shí)，有時(shí)會(huì)通過(guò)穿過(guò)正常導(dǎo)體的超導(dǎo)體庫(kù)珀對(duì)在該導(dǎo)體中感應(yīng)超導(dǎo)電性?，F(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)造了一種名為約瑟夫森結(jié)的設(shè)備：

它可以有效地將這些庫(kù)珀對(duì)從超導(dǎo)體分裂成兩個(gè)一維正常的導(dǎo)體。以前，大多數(shù)庫(kù)珀對(duì)分裂的研究，都是利用超導(dǎo)體連接的零維“量子點(diǎn)”來(lái)完成。該裝置有兩個(gè)鋁電極，當(dāng)冷卻到僅比絕對(duì)零度高出1/20度時(shí)，鋁電極就會(huì)超導(dǎo)，電極由兩根半導(dǎo)體納米線(xiàn)連接。當(dāng)電子在納米線(xiàn)中移動(dòng)時(shí)，該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)庫(kù)珀對(duì)的有效分裂，而不會(huì)被量子點(diǎn)等物體散射。這與以往的研究形成了鮮明對(duì)比，當(dāng)庫(kù)珀對(duì)在超導(dǎo)電極之間移動(dòng)時(shí)，它們可以粘在一起，沿著單一的納米線(xiàn)導(dǎo)體移動(dòng)。

這種效應(yīng)被稱(chēng)為局部對(duì)隧道效應(yīng)，或者它們可以分開(kāi)，使每個(gè)電子通過(guò)不同的納米線(xiàn)。盡管這兩個(gè)電子在物理上是分開(kāi)的，但它們通過(guò)一種稱(chēng)為量子糾纏的效應(yīng)連接在一起。通過(guò)微調(diào)控制電子流的電壓，研究小組確保了超過(guò)一半的庫(kù)珀對(duì)在穿過(guò)納米線(xiàn)時(shí)分裂，證明了該設(shè)備可以抑制局部對(duì)隧穿(由于納米線(xiàn)中的電子-電子相互作用)。到達(dá)另一邊后，電子重新組合成庫(kù)珀對(duì)。研究人員還發(fā)現(xiàn)，施加磁場(chǎng)比局部對(duì)隧穿更能抑制庫(kù)珀對(duì)分裂。

這些結(jié)果表明，該裝置可以用來(lái)產(chǎn)生所謂的拓?fù)涑瑢?dǎo)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，一個(gè)電子和一個(gè)空穴的疊加會(huì)產(chǎn)生馬約拉納費(fèi)米子，這是一種特殊的粒子，相當(dāng)于它自己的反粒子。人們對(duì)馬約拉納費(fèi)米子感興趣，因?yàn)榭梢栽谀承╊?lèi)型的量子計(jì)算機(jī)中，用作攜帶信息的量子“比特”，這種計(jì)算機(jī)有望擁有比傳統(tǒng)技術(shù)所能的更大處理能力。研究人員的下一步研究是在雙納米線(xiàn)超導(dǎo)結(jié)中尋找馬約拉納費(fèi)米子的指紋。庫(kù)珀對(duì)分裂(CPS)可以在耦合到超導(dǎo)體的兩個(gè)正常導(dǎo)體之間產(chǎn)生非局域關(guān)聯(lián)。

雙一維電子氣中的庫(kù)珀對(duì)分裂是提取大量糾纏電子對(duì)的合適平臺(tái)，是設(shè)計(jì)無(wú)磁場(chǎng)馬約拉納費(fèi)米子的關(guān)鍵成分之一。在這項(xiàng)研究中，利用門(mén)可調(diào)彈道InAs雙納米線(xiàn)的約瑟夫森結(jié)來(lái)研究庫(kù)珀對(duì)分裂。測(cè)量到進(jìn)入兩根納米線(xiàn)的開(kāi)關(guān)電流明顯大于進(jìn)入各自納米線(xiàn)的開(kāi)關(guān)電流之和，表明與線(xiàn)內(nèi)超導(dǎo)相比，線(xiàn)間超導(dǎo)占主導(dǎo)地位。根據(jù)其對(duì)納米線(xiàn)中傳播通道數(shù)目的依賴(lài)關(guān)系，將觀察到的庫(kù)珀對(duì)分裂指定為一維電子與電子的相互作用。

博科園｜研究/來(lái)自：RIKEN

參考期刊《科學(xué)進(jìn)展》

DOI: 10.1126/sciadv.aaw2194

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