Moléculas da mecânica quântica detectadas em dispositivos supercondutores

Uma simulação mostrando os níveis de energia característicos das moléculas de Andreev previstas para espectroscopia de tunelamento em junções Josephson acopladas. Crédito:Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44111-3

Estados eletrônicos que se assemelham a moléculas e são promissores para uso em futuros computadores quânticos foram criados em circuitos supercondutores por físicos da RIKEN.

A vantagem mais óbvia dos supercondutores – materiais que não oferecem resistência elétrica ao fluxo de elétrons – nos circuitos eletrônicos é que eles não produzem nenhum desperdício de aquecimento, o que limita a eficiência energética dos circuitos convencionais.

Mas eles também têm outra grande vantagem. A supercondutividade surge devido às interações da mecânica quântica entre os elétrons. Esses efeitos exóticos poderiam ser aproveitados em dispositivos, proporcionando-lhes uma ampla gama de funcionalidades não disponíveis em dispositivos convencionais.

Agora, Sadashige Matsuo, do Centro RIKEN para Ciência da Matéria Emergente, e colegas de trabalho investigaram exatamente esse efeito. Conhecida como molécula de Andreev, ela poderia ser usada para tecnologias de informação quântica em futuros computadores quânticos. O artigo foi publicado na revista Nature Communications .

O alicerce básico dos circuitos supercondutores é a junção Josephson:um dispositivo feito imprensando um material normal entre dois supercondutores, que pode controlar o fluxo da supercorrente.

Onde o material normal faz interface com os supercondutores, um elétron no material normal é refletido como um buraco e um par de elétrons é gerado no supercondutor. Esta reflexão forma estados ligados no material normal da junção Josephson, os chamados estados ligados de Andreev.

Se duas junções Josephson estiverem suficientemente próximas, elas podem formar uma molécula de Andreev ligando-se uma à outra. Matsuo e seus colegas se concentraram nas duas junções Josephson que compartilhavam um eletrodo supercondutor curto. Na estrutura, espera-se que os estados ligados de Andreev nas diferentes junções se liguem entre si através do eletrodo compartilhado.

“Quando essas moléculas de Andreev existem, uma junção Josephson pode controlar outra junção Josephson”, explica Matsuo. "E então surgem fenômenos de transporte supercondutores exóticos e úteis, como o efeito do diodo Josephson - um efeito que poderia levar a retificadores menos dissipativos em circuitos supercondutores."

Matsuo e seus colegas fizeram duas junções Josephson com uma fina camada de arsenieto de índio. Eles então os uniram por meio de um eletrodo supercondutor compartilhado feito de alumínio, que é supercondutor em temperaturas muito baixas.

A equipe estudou as propriedades eletrônicas dessa estrutura medindo a corrente de tunelamento para as junções em várias tensões aplicadas e intensidades de campo magnético, uma técnica chamada espectroscopia de tunelamento. Isto permitiu-lhes observar os níveis de energia nas junções Josephson correspondentes às moléculas de Andreev.

“Os pesquisadores já haviam relatado a caracterização espectroscópica das moléculas de Andreev nas diferentes estruturas do dispositivo”, diz Matsuo. "Mas agora conseguimos observá-los em junções Josephson acopladas e demonstrar a sua controlabilidade pela primeira vez.

"Nosso trabalho fornece informações fundamentais sobre a molécula de Andreev. E abrirá o caminho para a engenharia de fenômenos exóticos de transporte supercondutor em junções Josephson acopladas no futuro."

Mais informações: Sadashige Matsuo et al, Moléculas Andreev dependentes de fase e fechamento de lacuna supercondutora em junções Josephson acopladas coerentemente, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-44111-3
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