Elektronische Zustände, die Molekülen ähneln und für den Einsatz in zukünftigen Quantencomputern vielversprechend sind, haben Physiker am RIKEN in supraleitenden Schaltkreisen erzeugt.
Der offensichtlichste Vorteil von Supraleitern – Materialien, die dem Elektronenfluss keinen elektrischen Widerstand bieten – in elektronischen Schaltkreisen besteht darin, dass sie keine unnötige Wärme erzeugen, was die Energieeffizienz herkömmlicher Schaltkreise einschränkt.
Sie haben aber noch einen weiteren großen Vorteil. Supraleitung entsteht durch quantenmechanische Wechselwirkungen zwischen Elektronen. Diese exotischen Effekte könnten in Geräten genutzt werden, wodurch diese mit einem breiten Funktionsumfang ausgestattet werden, der in herkömmlichen Geräten nicht verfügbar ist.
Nun haben Sadashige Matsuo vom RIKEN Center for Emergent Matter Science und seine Mitarbeiter einen solchen Effekt untersucht. Bekannt als Andreev-Molekül, könnte es für Quanteninformationstechnologien in zukünftigen Quantencomputern verwendet werden. Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
Der Grundbaustein supraleitender Schaltkreise ist der Josephson-Kontakt: ein Gerät, das durch die Einfügung eines normalen Materials zwischen zwei Supraleitern hergestellt wird und den Fluss des Suprastroms steuern kann.
Wo das normale Material mit den Supraleitern in Kontakt kommt, wird ein Elektron im normalen Material als Loch reflektiert und im Supraleiter wird ein Elektronenpaar erzeugt. Diese Reflexion bildet gebundene Zustände im normalen Material des Josephson-Kontakts, sogenannte Andreev-gebundene Zustände.
Wenn zwei Josephson-Kontakte nahe genug beieinander liegen, können sie durch Verknüpfung miteinander ein Andreev-Molekül bilden. Matsuo und seine Mitarbeiter konzentrierten sich auf die beiden Josephson-Kontakte, die eine kurze supraleitende Elektrode teilten. In der Struktur wird erwartet, dass die Andreev-gebundenen Zustände in den verschiedenen Übergängen über die gemeinsame Elektrode miteinander verbunden sind.
„Wenn diese Andreev-Moleküle existieren, kann ein Josephson-Kontakt einen anderen Josephson-Kontakt steuern“, erklärt Matsuo. „Und dann tauchen exotische und nützliche supraleitende Transportphänomene auf, wie zum Beispiel der Josephson-Diodeneffekt – ein Effekt, der zu weniger dissipativen Gleichrichtern in supraleitenden Schaltkreisen führen könnte.“
Matsuo und seine Mitarbeiter stellten zwei Josephson-Kontakte mit einer dünnen Schicht Indiumarsenid her. Anschließend koppelten sie sie über eine gemeinsame supraleitende Elektrode aus Aluminium zusammen, das bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend ist.
Das Team untersuchte die elektronischen Eigenschaften dieser Struktur, indem es den Tunnelstrom zu den Übergängen bei verschiedenen angelegten Spannungen und Magnetfeldstärken maß, eine Technik namens Tunnelspektroskopie. Dies ermöglichte es ihnen, die Energieniveaus in den Josephson-Kontakten zu beobachten, die den Andreev-Molekülen entsprechen.
„Forscher hatten zuvor über die spektroskopische Charakterisierung von Andreev-Molekülen in den verschiedenen Gerätestrukturen berichtet“, sagt Matsuo. „Jetzt ist es uns aber gelungen, sie in gekoppelten Josephson-Kontakten zu beobachten und erstmals ihre Steuerbarkeit zu demonstrieren.“
„Unsere Arbeit liefert grundlegende Informationen über das Andreev-Molekül. Und sie wird den Weg für die Entwicklung exotischer supraleitender Transportphänomene in gekoppelten Josephson-Kontakten in der Zukunft ebnen.“
Mehr Informationen:
Sadashige Matsuo et al., Phasenabhängige Andreev-Moleküle und supraleitende Lückenschließung in kohärent gekoppelten Josephson-Kontakten, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-44111-3