Die steuerbare Aufteilung eines einzelnen Cooper-Paars in einem hybriden Quantenpunkt-System

6. November 2023

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Korrigiert von Ingrid Fadelli, Phys.org

Cooper-Paare sind Paare von Elektronen in supraleitenden Materialien, die bei niedrigen Temperaturen aneinander gebunden sind. Diese Elektronenpaare sind die Grundlage der Supraleitung, einem Zustand, bei dem Materialien aufgrund von quantenmechanischen Effekten bei niedrigen Temperaturen keinen Widerstand haben. Als quantenmechanische Systeme, die relativ groß und leicht zu manipulieren sind, sind Supraleiter äußerst nützlich für die Entwicklung von Quantencomputern und anderen fortschrittlichen Technologien. 

Forscher der Technischen Universität Delft haben kürzlich die kontrollierte Spaltung eines Cooper-Paares in seine zwei konstituierenden Elektronen innerhalb eines Hybrid-Quantenpunktsystems gezeigt und sie nach der Spaltung festgehalten. Ihre Arbeit, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, könnte neue Möglichkeiten für die Erforschung von Supraleitung und Verschränkung in Quantenpunkt-Systemen eröffnen.

'Diese Forschung wurde durch die Tatsache motiviert, dass Cooper-Paare, die grundlegenden Bestandteile der Supraleitung, die elektrischen Strom ohne Widerstand leiten, von Paaren von Elektronen gebildet werden, die erwartungsgemäß perfekt quantenverschränkt sein sollten', sagte Christian Prosko, einer der Autoren des Papers, zu Phys.org.

'In vorherigen Arbeiten mehrerer Forschungsgruppen ging es darum, Cooper-Paare in ihre zwei konstituierenden Elektronen aufzuspalten, um diese Verschränkung zu überprüfen. Wir hofften jedoch, diese Experimente durch die Herstellung eines Geräts weiterzuentwickeln, mit dem man nach der Spaltung eines Paares zwei Elektronen 'festhalten' kann, um ihre Eigenschaften genauer zu untersuchen.'

Während Forscher mehrere Möglichkeiten identifiziert haben, um festzustellen, ob zwei Teilchen quantenverschränkt sind, kann das Halten der Teilchen nach ihrer Spaltung diese Bemühungen erheblich vorantreiben. Das Labor von Leo P. Kouwenhoven an der TU Delft ist auf Techniken spezialisiert, die Mikrowellenresonatoren nutzen, um die Bewegung von Elektronen zu untersuchen und die Kontrolle über Elektronen in Geräten zu ermöglichen, ohne sie einem elektrischen Strom auszusetzen.

'In unserem Fall halten wir sie fest, indem wir sicherstellen, dass sie in Quantenpunkten stecken, Bereiche eines halbleitenden Materials, die sich wie eine Schachtel zum Halten von Elektronen verhalten sollen', sagte Prosko.

'Gleichzeitig wollten wir eine Methode demonstrieren, um den Moment zu erkennen, wenn ein Cooper-Paar aufgespalten wird. Dafür haben wir einen Detektor aus Quantenpunkten entworfen, der erkennen kann, wann ein einzelnes Elektron auf ihn springt oder von ihm herunter springt. An dieser Stelle sollte ich erwähnen, dass eine andere Gruppe zur gleichen Zeit die Aufspaltung einzelner Cooper-Paare beobachtet hat.'

Herkömmliche Geräte zur Spaltung von Elektronen, die in Cooper-Paaren gebunden sind, bestehen aus einem superleitenden elektrischen Kontakt und zwei gewöhnlichen metallischen Kontakten, die durch Quantenpunkte getrennt sind. Quantenpunkte erhalten normalerweise nur ein Elektron auf einmal, während der elektrische Strom, der durch Halbleiter fließt, von Elektronen-Cooper-Paaren getragen wird.

'Wenn man einen Strom zwischen dem Supraleiter und den Metallkontakten erzwingt, haben Cooper-Paare keine andere Wahl, als sich aufzuspalten, um durch die Quantenpunkte zu den anderen Metallterminals Ihres Stromkreises zu gelangen', erklärte Prosko. 'In unserem Fall haben wir den supraleitenden Anschluss durch ein isoliertes Stück Supraleiter ersetzt und die elektrischen Kontakte vollständig beseitigt. Durch das Anlegen von elektrischen Feldern an die Quantenpunkte und den Supraleiter konnten wir ein einzelnes Cooper-Paar aus dem Supraleiter 'herausschieben', um es auf die beiden Quantenpunkte zu zwingen.'

Aufgrund seines einzigartigen Designs und des Fehlens von elektrischen Kontakten hat das Hybrid-Quantenpunktsystem, das von Prosko und seinen Kollegen geschaffen wurde, keinen elektrischen Strom, der durch es fließt. Als sie ein einzelnes Cooper-Paar aus dem Supraleiter 'herausschoben', wurden die Elektronen auf den Quantenpunkten isoliert. Durch diesen Prozess konnten die Forscher die gespaltenen Elektronen, die zuvor Teil eines einzelnen Cooper-Paares waren, festhalten.

'Unsere jüngste Arbeit bestand aus zwei Teilen: dem Aufspalten eines einzelnen Cooper-Paares und dem Festhalten der resultierenden Elektronen sowie der separaten Demonstration einer Methode zum Nachweis einzelner Elektronen, die auf einen Quantenpunkt springen, ohne externe Ladungssensoren', sagte Prosko. 'Diese beiden Errungenschaften zusammen würden es ermöglichen, Cooper-Paar-Spaltungsvorgänge zu verursachen und die auftretenden Elektronen in Echtzeit zu erkennen, was uns einen Schritt näher an die Überprüfung der Quantenverschränkung von Elektronen bringt, die für die Supraleitung so grundlegend ist.'

Some of the authors of this paper have now completed their Ph.D. at TU Delft and started working at other institutes and companies. In the future, these researchers and other students who are still part Kouwenhoven's lab will continue exploring superconductivity, quantum entanglement, and quantum computing.

'We hope our research groups will continue combining the single Cooper pair splitting technique with parity sensors that can also detect the magnetic spin of electrons,' Prosko added.

'This would allow for a test of Bell's inequality, where we could verify that electrons in superconductors really are quantum entangled. Similar tests have been carried out on electrons in semiconducting qubits. On another note, our research group has been very interested in Cooper pair splitters recently as a way to build especially robust qubits out of exotic so-called 'Majorana bound states', and these qubits might be more effective by using our approach of getting rid of some of the lead contacts.'

Journal information: Physical Review Letters

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