超导体的最新纳米实验成果

时间:2020-06-04编辑:admin

在同类型的最新实验中,研究人员已经捕获了迄今为止最有说服力的证据,即异常粒子潜伏在特殊类型的超导体内部。这个结果证实了近十年前联合量子研究所(JQI)和马里兰大学(UMD)首次提出的理论预测,将在4月5日的Nature上发表。

被称为Majorana quasiparticles的偷渡者与电子或夸克等普通物质不同 - 构成元素周期表的元素。与物理学家所知不能分解成更多基本物质的那些粒子不同,Majorana准粒子来源于许多原子和电子的协调模式,只在特殊条件下出现。它们具有独特的特征,可以让它们构成一种类型的量子计算机的骨干,研究人员多年来一直追逐它们。

最新的结果对Majorana猎人来说是最诱人的,这证实了许多理论预测,并为未来更精细的实验奠定了基础。在这项新工作中,研究人员测量了通过连接到超导铝条的超薄半导体的电流 - 这一配方将整个组合转变为特殊类型的超导体。

这种类型的实验将纳米线暴露给强磁体,这为解决电线中电子在低温下自组织的额外方式。有了这个额外的安排,电线预计将托管一个Majorana准粒子,实验者可以通过仔细测量电线的电气响应来查找它的存在。

这项新的实验由荷兰代尔夫特技术大学QuTech的研究人员和微软研究院进行,其样本由荷兰加利福尼亚大学,圣巴巴拉和埃因霍温科技大学编写。实验者将他们的结果与JQI研究员Sankar Das Sarma和JQI研究生刘春晓的理论计算结果进行了比较。

代尔夫特的同一组织在2012年看到了Majorana的暗示,但测得的电气效应并没有理论预测的那么大。现在已经观察到了全部效应,甚至当实验者摇动磁场或电场的强度时,它仍然存在 - 如刘的仔细理论模拟预测的那样,鲁棒性提供了甚至更强的证据表明实验已经捕获了Majorana。

该论文的合着者,同时也是UMD凝聚态理论中心主任的Das Sarma说:“我们已经从2010年的理论方法中走出了一条很长的路,即如何在半导体 - 超导体混合系统中创建Majorana粒子。“但是在我们能够宣布我们在寻找这些奇怪粒子方面取得全面胜利之前,还有一段路要走。”

在研究人员组装纳米线的方式经过多年的改进之后,成功来自半导体线和铝带之间的更清洁的接触。与此同时,理论家已经深入了解了Majoranas可能的实验特征 - 这是由Das Sarma和UMD的几个合作者开创的。

寻求在薄量子线中寻找Majorana准粒子的工作始于2001年,当时是微软研究院的物理学家Alexei Kitaev。现在在帕萨迪纳加利福尼亚理工学院的基耶耶夫炮制了一个相对简单但不现实的系统,理论上可以保存一个马约拉纳。但是这种想象中的导线需要一种特定类型的超导性,这种导电性不能从大自然中获得,其他人很快就开始寻找通过混合和匹配可用材料来模仿Kitaev的装置的方法。

一个挑战是弄清楚如何获得超导体,这些超导体通常以偶数个电子 - 二,四,六等 - 开展业务,以允许奇数个电子,这种情况通常不稳定,需要额外的能量来维持。奇数是必要的,因为Majorana准粒子是毫不掩饰的古怪球:它们只在奇数个电子的协调行为中出现。

2010年,在Kitaev的原始论文Das Sarma,JQI研究员Jay Deep Sau和JQI博士后研究员Roman Lutchyn以及第二组研究人员的近10年后,他们发现了一种创建这些特殊超导体的方法,并推动了实验自那以后搜寻。他们建议将某种半导体与普通的超导体结合起来,测量整个事物的电流。他们预测,这两种材料的组合,以及强大的磁场,将解开Majorana的安排并产生Kitaev的特殊材料。

他们还预测,Majorana可以通过电流流过这种纳米线的方式展示自己。如果将普通半导体连接到金属导线和电池上,电子通常会有一些跳到半导体上的机会,并有被拒绝的机会 - 细节取决于电子和材料的组成。但如果你使用Kitaev的纳米线之一,会发生完全不同的事情。电子总是完全反射回线,但它不再是电子。它变成了科学家们称之为洞的东西 - 基本上是缺少电子的金属中的一个点 - 并且它带着相反方向的正电荷。

物理学要求保持界面上的电流,这意味着两个电子必须以超导体结束,以平衡在另一个方向上的正电荷。奇怪的是,物理学家称之为完美的安德列夫反射的这个过程即使在金属中的电子没有受到边界推动时也会发生 - 也就是说,即使他们没有接触到某种电池。这与Majorana是自己的反粒子有关,这意味着它不需要任何能量就可以在纳米线中创建一对Majoranas。Majorana安排为两个电子提供了一些额外的机动空间,并允许它们作为量子对穿越纳米线 - 即一次只有两个。

“这是存在Majoranas引起这种量子化的微分电导,”说,谁运行数字模拟预测UMD的Deepthought2超级计算机集群的实验结果。“真正的实验表明,这样的量化甚至应该对实验参数的微小变化具有鲁棒性。”

科学家将这种实验方式称为隧穿谱学,因为电子正在通过纳米线向另一侧传送量子路线。它一直是最近捕获Majoranas的努力的焦点,但还有其他测试可以更直接地揭示粒子的奇特性质 - 测试将充分证实Majoranas确实存在。

Das Sarma说:“这个实验是我们在寻找这些异乎寻常和难以捉摸的马约拉纳粒子方面向前迈出的一大步,显示了过去五年来材料改进取得的巨大进展。“我确信这些奇怪的粒子存在于这些纳米线中,但只有建立底层物理学的非局部测量才能使证据具有明确性。”