在超导器件中发现的量子力学“分子”

模拟显示了在耦合约瑟夫森结上预测的隧穿光谱预测的安德烈耶夫分子的特征能级。图片来源：Nature Communications （2023）。DOI：

10.1038/s41467-023-44111-3

RIKEN的物理学家在超导电路中创造了类似于分子并有望用于未来量子计算机的电子态。

在电子电路中，超导体（对电子流动没有电阻的材料）最明显的优势是它们不会产生任何浪费的热量，这限制了传统电路的能源效率。

但他们还有另一个很大的优势。超导性是由于电子之间的量子力学相互作用而产生的。这些奇特的效果可以在设备中得到利用，为它们提供传统设备所不具备的广泛功能。

现在，RIKEN紧急物质科学中心的Sadashige Matsuo及其同事已经研究了这种效应。它被称为安德烈耶夫分子，可用于未来量子计算机中的量子信息技术。该论文发表在《自然通讯》杂志上。

超导电路的基本组成部分是约瑟夫森结：一种将普通材料夹在两个超导体之间制成的装置，可以控制超电流的流动。

在普通材料与超导体接触的地方，普通材料中的电子被反射为空穴，并在超导体中产生一对电子。这种反射在约瑟夫森结的正常材料中形成束缚态，即所谓的安德烈耶夫束缚态。

如果两个约瑟夫森结足够近，它们可以通过相互连接形成安德烈耶夫分子。Matsuo和他的同事们专注于两个约瑟夫森结，它们共享一个短的超导电极。在结构中，不同结中的安德烈耶夫束缚态有望通过共享电极相互连接。

“当这些安德烈耶夫分子存在时，一个约瑟夫森结可以控制另一个约瑟夫森结，”松尾解释道。“然后出现了奇特而有用的超导传输现象，例如约瑟夫森二极管效应 - 这种效应可能导致超导电路中的耗散整流器减少。

松尾和他的同事们用一层薄薄的砷化铟做了两个约瑟夫森结。然后，他们通过一个由铝制成的共享超导电极将它们耦合在一起，铝在非常低的温度下是超导的。

该团队通过测量在各种施加电压和磁场强度下到结的隧穿电流来研究这种结构的电子特性，这种技术称为隧穿光谱学。这使他们能够观察对应于安德烈耶夫分子的约瑟夫森结中的能级。

“研究人员之前已经报道了安德烈耶夫分子在不同器件结构中的光谱表征，”松尾说。“但我们现在已经成功地在耦合的约瑟夫森结中观察到了它们，并首次证明了它们的可控性。

“我们的工作提供了有关安德烈耶夫分子的基本信息。它将为未来在耦合约瑟夫森结中设计奇异的超导输运现象铺平道路。

更多信息： Sadashige Matsuo 等人，相干耦合约瑟夫森结中的相变性安德烈耶夫分子和超导间隙闭合，Nature Communications （2023）。DOI： 10.1038/s41467-023-44111-3

来自：量子梦