超導電子對在物理上是分開的,但卻通過量子糾纏「連接」在一起!

2021-01-10 騰訊網

RIKEN物理學家認為，一種可以分離和重組電子對的儀器設備，可能會提供一種研究一種不尋常形式的超導電性方法。這種超導狀態將包括一種叫做馬約拉納費米子的奇異粒子，這種粒子可能會被證明對發展量子計算機很有用。在傳統超導體中，由於電子聚集在一起形成「庫珀對」，電流在沒有電阻的情況下流動。超導體接觸正常導體時，有時會通過穿過正常導體的超導體庫珀對在該導體中感應超導電性。現在，科學家已經創造了一種名為約瑟夫森結的設備：

它可以有效地將這些庫珀對從超導體分裂成兩個一維正常的導體。以前，大多數庫珀對分裂的研究，都是利用超導體連接的零維「量子點」來完成。該裝置有兩個鋁電極，當冷卻到僅比絕對零度高出1/20度時，鋁電極就會超導，電極由兩根半導體納米線連接。當電子在納米線中移動時，該團隊能夠實現庫珀對的有效分裂，而不會被量子點等物體散射。這與以往的研究形成了鮮明對比，當庫珀對在超導電極之間移動時，它們可以粘在一起，沿著單一的納米線導體移動。

這種效應被稱為局部對隧道效應，或者它們可以分開，使每個電子通過不同的納米線。儘管這兩個電子在物理上是分開的，但它們通過一種稱為量子糾纏的效應連接在一起。通過微調控制電子流的電壓，研究小組確保了超過一半的庫珀對在穿過納米線時分裂，證明了該設備可以抑制局部對隧穿(由於納米線中的電子-電子相互作用)。到達另一邊後，電子重新組合成庫珀對。研究人員還發現，施加磁場比局部對隧穿更能抑制庫珀對分裂。

這些結果表明，該裝置可以用來產生所謂的拓撲超導狀態，在這種狀態下，一個電子和一個空穴的疊加會產生馬約拉納費米子，這是一種特殊的粒子，相當於它自己的反粒子。人們對馬約拉納費米子感興趣，因為可以在某些類型的量子計算機中，用作攜帶信息的量子「比特」，這種計算機有望擁有比傳統技術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超導結中尋找馬約拉納費米子的指紋。庫珀對分裂(CPS)可以在耦合到超導體的兩個正常導體之間產生非局域關聯。

雙一維電子氣中的庫珀對分裂是提取大量糾纏電子對的合適平臺，是設計無磁場馬約拉納費米子的關鍵成分之一。在這項研究中，利用門可調彈道InAs雙納米線的約瑟夫森結來研究庫珀對分裂。測量到進入兩根納米線的開關電流明顯大於進入各自納米線的開關電流之和，表明與線內超導相比，線間超導佔主導地位。根據其對納米線中傳播通道數目的依賴關係，將觀察到的庫珀對分裂指定為一維電子與電子的相互作用。

博科園｜研究/來自：RIKEN

參考期刊《科學進展》

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