La división controlable de un solo par de Cooper en un sistema de punto cuántico híbrido

6 de noviembre de 2023 característica

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado las siguientes cualidades mientras se asegura la credibilidad del contenido:

• verificación de hechos
• publicación revisada por pares
• fuentes confiables
• corrección de pruebas

por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los pares de Cooper son pares de electrones en materiales superconductores que están unidos entre sí a bajas temperaturas. Estos pares de electrones son la base de la superconductividad, un estado en el que los materiales no tienen resistencia a bajas temperaturas debido a efectos cuánticos. Como sistemas cuánticos que pueden ser relativamente grandes y fáciles de manipular, los superconductores son muy útiles para el desarrollo de computadoras cuánticas y otras tecnologías avanzadas. 

Investigadores de la Universidad de Tecnología de Delft (TU Delft) recientemente demostraron la división controlable de un par de Cooper en sus dos electrones constituyentes dentro de un sistema de puntos cuánticos híbridos, manteniéndolos después de la división. Su artículo, publicado en Physical Review Letters, podría abrir nuevas vías para el estudio de la superconductividad y la entrelazación en sistemas de puntos cuánticos.

"Esta investigación fue motivada por el hecho de que los pares de Cooper, los ingredientes fundamentales de la superconductividad que transportan corriente eléctrica sin resistencia, están formados por pares de electrones que se esperan que estén perfectamente entrelazados cuánticamente", dijo Christian Prosko, uno de los autores del artículo, a Phys.org.

"Investigaciones anteriores de numerosos grupos de investigación se han enfocado en dividir los pares de Cooper en sus dos electrones constituyentes para comprobar este entrelazamiento, pero esperábamos avanzar en estos experimentos fabricando un dispositivo en el que se pudiera 'mantener' a dos electrones después de dividir un par para investigar sus propiedades más a fondo."

Aunque los investigadores han identificado múltiples formas de comprobar si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, retener las partículas después de dividirlas puede impulsar considerablemente estos esfuerzos. El laboratorio de Leo P. Kouwenhoven en TU Delft se especializa en técnicas que aprovechan resonadores de microondas para investigar el movimiento de los electrones, permitiendo el control de los electrones en dispositivos sin tener que hacer pasar corrientes eléctricas a través de ellos.

"En nuestro caso, los mantenemos asegurándonos de que estén atrapados en puntos cuánticos, regiones de un material semiconductor diseñadas para comportarse como una caja para contener electrones", dijo Prosko.

"Al mismo tiempo, queríamos demostrar un método para detectar el momento en que se divide un par de Cooper, por lo que diseñamos un detector a partir de puntos cuánticos que puede detectar cuándo un electrón individual salta hacia él o sale de él. Debo señalar aquí que alrededor del momento en que se realizó este trabajo, otro grupo observó la división de pares de Cooper individuales."

Los dispositivos convencionales para dividir electrones ligados en pares de Cooper consisten en un contacto eléctrico basado en un superconductor y dos contactos metálicos ordinarios, separados por puntos cuánticos. Los puntos cuánticos típicamente solo reciben un electrón a la vez, mientras que la corriente eléctrica que fluye a través de los semiconductores es transportada por pares de electrones Cooper.

"Si se fuerza una corriente entre el superconductor y los contactos metálicos, los pares de Cooper no tienen otra opción que dividirse para poder pasar a través de los puntos cuánticos hacia los otros terminales metálicos de tu circuito", explicó Prosko. "En nuestro caso, reemplazamos el conductor superconductor con un trozo aislado de superconductor y eliminamos por completo los contactos eléctricos. Al aplicar campos eléctricos a los puntos cuánticos y al superconductor, pudimos 'empujar' un solo par de Cooper fuera del superconductor, forzándolo a dividirse en los dos puntos cuánticos."

Debido a su diseño único y la ausencia de contactos eléctricos, el sistema de puntos cuánticos híbridos creado por Prosko y sus colegas no tiene corriente eléctrica fluyendo a través de él. Cuando "empujaron" un solo par de Cooper fuera del superconductor, los electrones quedaron aislados en los puntos cuánticos. A través de este proceso, los investigadores lograron retener los electrones divididos que anteriormente formaban parte de un solo par de Cooper.

"Nuestro trabajo reciente consistió en dos partes: dividir un solo par de Cooper y mantener a los electrones resultantes, y demostrar por separado un método para detectar electrones individuales que saltan a un punto cuántico sin sensores de carga externos", dijo Prosko. "Estos dos logros juntos permitirían provocar eventos de división de pares de Cooper y detectar los electrones emergentes en tiempo real, acercándonos un paso más a probar el entrelazamiento cuántico de los electrones, que es tan fundamental para la superconductividad."

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

© 2023 Science X Network