Físicos confirmam o estado quântico previsto há mais de 50 anos

Os físicos observaram um estado quântico, teorizado há mais de 50 anos, ao emparelhar elétrons em um átomo artificial em um supercondutor, criando uma versão básica da supercondutividade. Esta descoberta mostra o comportamento de elétrons emparelhados (bósons) que podem coexistir no mesmo espaço, ao contrário de elétrons individuais. Este trabalho tem implicações para aprofundar a compreensão da supercondutividade em nanoestruturas e sua aplicação potencial em computadores quânticos modernos.

Descubra o acoplamento de elétrons em átomos artificiais

Pesquisadores do Departamento de Física da Universidade de Hamburgo observaram um estado quântico que foi previsto teoricamente por teóricos japoneses há mais de 50 anos, mas até agora não foi descoberto. por sutura sintética milho Na superfície de um supercondutor, os pesquisadores conseguiram emparelhar os elétrons de um chamado ponto quântico, criando assim a menor versão possível do supercondutor. A obra aparece na última edição da revista natureza.

Comportamento eletrônico e supercondutividade

Os elétrons geralmente se repelem por causa de sua carga negativa. Esse fenômeno de repulsão desempenha um papel importante ao influenciar muitas propriedades dos materiais, entre as quais está a resistência elétrica. No entanto, a situação muda radicalmente se os elétrons forem “colados” em pares e assim se tornarem bósons. Ao contrário dos elétrons solitários, que se repelem, os pares de bósons podem coexistir no mesmo espaço e realizar movimentos idênticos.

Renderização em 3D de algumas das estruturas construídas átomo por átomo em prata (pequenas colinas). Uma caixa de letras retangular e circular é mostrada no quadrante superior esquerdo da imagem. Crédito: Lucas Schneider

A supercondutividade é uma das propriedades mais interessantes dos materiais que contêm esses pares de elétrons – a capacidade de permitir que a corrente elétrica passe sem qualquer resistência. A supercondutividade tem sido aproveitada para muitas aplicações tecnológicas ao longo dos anos, como ressonância magnética e detectores de campo magnético altamente sensíveis. Com a contínua miniaturização de dispositivos eletrônicos, há um interesse crescente em entender como atingir a supercondutividade em objetos menores, nanoescala estruturas.

Acoplamento de elétrons em átomos artificiais

Pesquisadores do Departamento de Física e do Grupo de Excelência “CUI: Advanced Imaging of Matter” da Universidade de Hamburgo realizaram o acoplamento de elétrons em um átomo artificial chamado ponto quântico, o menor bloco de construção de dispositivos eletrônicos nanoestruturados. Para este fim, os pesquisadores, liderados pelo PD Prof. Jens Wiebe, do Instituto de Nanoestrutura e Física do Estado Sólido, prenderam elétrons em minúsculas gaiolas que construíram de prata, átomo por átomo.

Ao acoplar os elétrons bloqueados a um supercondutor elementar, os elétrons herdaram a tendência de emparelhamento do supercondutor. Juntamente com uma equipe de físicos teóricos de massa, liderados pelo Dr. Thor Boesky, os pesquisadores correlacionaram a assinatura experimental, um pico espectral em energia muito baixa, com o estado quântico previsto por Kazushige Machida no início dos anos 1970 por Fumiaki Shibata.

Embora o estado tenha recuperado até agora apenas a detecção direta por métodos experimentais, uma pesquisa recente de duas equipes da Holanda e da Dinamarca mostra que é útil para suprimir ruídos indesejados em transmissões de qubit, um bloco de construção de computadores quânticos modernos.

Em um e-mail privado, Kazushige Machida escreveu ao primeiro autor da publicação, Dr. Lucas Schneider: “Obrigado por ‘descobrir’ meu antigo artigo há meio século. Pensei por muito tempo que impurezas de metais de transição não magnéticos produziam a lacuna estado, mas sua localização é muito próxima à borda da lacuna. “supercondutora e, portanto, impossível de provar sua existência. Mas, por seu método engenhoso, finalmente verifiquei que é experimentalmente correto.”

Referência: “Supercondutividade aproximada em pontos quânticos feitos átomo por átomo” Por Lukas Schneider, Khai That Ton, Eunice Ionides, Janice Neuhaus Steinmetz, Thor Boesky, Roland Weisendinger e Jens Wiebe, 16 de agosto de 2023, disponível aqui. natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06312-0