La separazione controllabile di una singola coppia di Cooper in un sistema di punti quantistici ibridi.

6 novembre 2023 caratteristica

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di Ingrid Fadelli , Phys.org

Le coppie di Cooper sono coppie di elettroni presenti nei materiali superconduttori che sono legati tra loro a basse temperature. Queste coppie di elettroni sono alla base della superconduttività, uno stato in cui i materiali hanno resistenza zero a basse temperature grazie agli effetti quantistici. Essendo sistemi quantistici relativamente grandi e facili da manipolare, i superconduttori sono estremamente utili per lo sviluppo di computer quantistici e altre tecnologie avanzate. 

Ricercatori dell'Università Tecnica di Delft (TU Delft) hanno recentemente dimostrato la divisione controllabile di una coppia di Cooper in due elettroni costituenti all'interno di un sistema a punti quantistici ibridi, mantenendoli dopo la divisione. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, potrebbe aprire nuove strade per lo studio della superconduttività e dell'entanglement nei sistemi a punti quantistici.

'Questa ricerca è stata motivata dal fatto che le coppie di Cooper, gli ingredienti fondamentali della superconduttività che trasportano corrente elettrica senza resistenza, sono formate da coppie di elettroni che dovrebbero essere perfettamente quantisticamente intrecciate', ha detto a Phys.org Christian Prosko, uno degli autori dell'articolo.

'Ricerche precedenti di numerosi gruppi di ricerca sono state effettuate per dividere le coppie di Cooper nei loro due elettroni costituenti per verificare questo intreccio, ma speravamo di basarci su questi esperimenti realizzando un dispositivo in cui si possano "trattenere" due elettroni dopo la divisione di una coppia per investigarne ulteriormente le proprietà'.

Mentre i ricercatori hanno identificato diversi modi per verificare se due particelle sono quantisticamente intrecciate, trattenere le particelle dopo la loro divisione può notevolmente far progredire questi sforzi. Il laboratorio di Leo P. Kouwenhoven presso la TU Delft è specializzato in tecniche che sfruttano risonatori a microonde per sondare il movimento degli elettroni, consentendo il controllo degli elettroni nei dispositivi senza dover farvi passare correnti elettriche.

'Nel nostro caso, li tratteniamo assicurandoci che siano intrappolati in punti quantistici, regioni di un materiale semiconduttore progettate per comportarsi come una scatola per contenere gli elettroni', ha detto Prosko.

'Nel frattempo, volevamo dimostrare un metodo per rilevare effettivamente il momento in cui una coppia di Cooper viene divisa, quindi abbiamo progettato un rivelatore composto da punti quantistici che possono rilevare quando un singolo elettrone salta su o giù da esso. Dovrei notare che in quel periodo, un altro gruppo ha osservato la divisione di singole coppie di Cooper'.

I dispositivi convenzionali per dividere gli elettroni legati in coppie di Cooper sono costituiti da un contatto elettrico basato su superconduttori e due contatti metallici ordinari, separati da punti quantistici. I punti quantistici di solito ricevono solo un elettrone alla volta, mentre la corrente elettrica che scorre attraverso i semiconduttori è trasportata da coppie di elettroni Cooper.

'Se forzi una corrente tra il superconduttore e i contatti metallici, le coppie di Cooper non hanno altra scelta che dividersi per passare attraverso i punti quantistici verso gli altri terminali metallici del tuo circuito', ha spiegato Prosko. 'Nel nostro caso, abbiamo sostituito il connettore superconduttivo con un pezzo isolato di superconduttore e ci siamo liberati completamente dei contatti elettrici. Applicando campi elettrici ai punti quantistici e al superconduttore, siamo stati in grado di "spingere" una singola coppia di Cooper fuori dal superconduttore, costringendola a dividere sui due punti quantistici'.

Grazie al suo design unico e all'assenza di contatti elettrici, il sistema a punti quantistici ibridi creato da Prosko e colleghi non ha corrente elettrica che vi scorre. Quando hanno "spinto" una singola coppia di Cooper fuori dal superconduttore, gli elettroni sono diventati isolati sui punti quantistici. Attraverso questo processo, i ricercatori sono stati in grado di trattenere gli elettroni divisi che facevano parte precedentemente di una singola coppia di Cooper.

'Il nostro recente lavoro è stato diviso in due parti: la divisione di una singola coppia di Cooper e la trattenuta degli elettroni risultanti e, separatamente, la dimostrazione di un metodo per rilevare singoli elettroni che saltano su un punto quantistico senza sensori di carica esterni', ha detto Prosko. 'Questi due risultati insieme permetterebbero di causare eventi di divisione delle coppie di Cooper e rilevare gli elettroni che emergono in tempo reale, portandoci un passo più vicini alla verifica dell'intreccio quantistico degli elettroni che è così fondamentale per la superconduttività'.

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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