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Un diagrama abstracto de dos tipos de divisores de pares de Cooper. El divisor de pares de Cooper convencional (incluidas las partes descoloridas del diagrama) consiste en un contacto superconductor separado de dos contactos metálicos ordinarios por dos puntos cuánticos. Cuando se aplica una corriente al circuito, los puntos cuánticos fuerzan a los pares de Cooper a dividirse antes de abandonar el dispositivo en los contactos metálicos. En nuestro enfoque (sin las partes descoloridas), no hay contactos y el superconductor es una pieza de material aislada. Al aplicar campos eléctricos con voltajes V_L y V_R a puntos cuánticos, podemos atraer electrones hacia los puntos dividiendo un par de Cooper, después de lo cual los electrones permanecen estables en los puntos. Crédito: de Jong et al.
Los pares de Cooper son pares de electrones en materiales superconductores que se unen a bajas temperaturas. Estos pares de electrones están en la raíz de la superconductividad, un estado en el que los materiales tienen resistencia cero 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 desarrollar computadoras cuánticas y otras tecnologías avanzadas.
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) demostraron recientemente la división controlable de un par de cobre en sus dos electrones constituyentes dentro de un sistema híbrido de puntos cuánticos, reteniéndolos después de la división. Su función, Publicado en Cartas de revisión físicapodría abrir nuevas vías para estudiar la superconductividad y el entrelazamiento en sistemas de puntos cuánticos.
«Esta investigación fue motivada por el hecho de que los pares de Cooper, ingredientes fundamentales de la superconductividad que transportan corriente eléctrica sin resistencia, están formados por pares de electrones que se espera que estén perfectamente entrelazados cuánticamente», dijo Christian Prosko, uno de los autores del estudio. artículo, dijo Phys.org.
«El trabajo anterior de varios grupos de investigación ha sido dividir pares de Cooper en sus dos electrones constituyentes para verificar este entrelazamiento, pero esperábamos aprovechar estos experimentos fabricando un dispositivo en el que se pudieran ‘retener’ dos electrones después de dividir un par para formar más investigar sus propiedades.»
Si bien los investigadores han identificado varias formas de comprobar si dos partículas están entrelazadas cuánticamente, retener las partículas después de dividirse podría hacer avanzar enormemente estos esfuerzos. El laboratorio de Leo P. Kouwenhoven en TU Delft se especializa en técnicas que explotan resonadores de microondas para investigar el movimiento de electrones, permitiendo el control de electrones en dispositivos sin la necesidad de 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 diseñado para comportarse como una caja para contener electrones», dijo Prosko.
«Al mismo tiempo, queríamos demostrar un método para detectar realmente el momento en que un par de Cooper se divide, por lo que diseñamos un detector de puntos cuánticos que puede detectar cuándo un electrón individual salta dentro o fuera de él. Debo señalar aquí que con el tiempo de este trabajo, otro grupo observó la división de pares de Cooper únicos.»
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Cambio medido en la frecuencia de resonancia de un resonador de microondas acoplado al superconductor de nuestro dispositivo en función de los voltajes aplicados a los puntos cuánticos circundantes. La frecuencia cambia a medida que los electrones se mueven hacia adelante y hacia atrás entre los puntos y el superconductor. Moviéndose a lo largo de la línea entre las dos características similares a diamantes en el diagrama, un solo par de Cooper se divide y sus electrones pasan a puntos cuánticos, ilustrado por una caricatura superpuesta a los datos de medición. Crédito: de Jong et al.
Los dispositivos convencionales para dividir electrones enlazados en pares de Cooper constan de un contacto eléctrico basado en un superconductor y dos contactos metálicos ordinarios, separados por puntos cuánticos. Los puntos cuánticos normalmente reciben sólo un electrón a la vez, mientras que la corriente eléctrica que fluye a través de los semiconductores es transportada por pares de electrones de Cooper.
«Si se fuerza una corriente entre el superconductor y los contactos metálicos, los pares de Cooper no tendrán más remedio que dividirse para pasar a través de los puntos cuánticos hacia los otros terminales metálicos de su circuito», explicó Prosko. «En nuestro caso, reemplazamos el cable superconductor con una pieza aislada de superconductor y nos deshicimos por completo de los contactos eléctricos. Al aplicar campos eléctricos a los puntos cuánticos y al superconductor, pudimos ‘empujar’ un solo par de Cooper fuera de el superconductor, obligándolo a dividirse en dos puntos cuánticos».
Debido a su diseño único y a la ausencia de contactos eléctricos, el sistema híbrido de puntos cuánticos creado por Prosko y sus colegas no tiene corriente eléctrica que fluya 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 pudieron retener electrones divididos que anteriormente formaban parte de un solo par de Cooper.
«Nuestro trabajo reciente constaba de dos partes: dividir un único par de Cooper y conservar 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 nos permitirían provocar eventos de división del par de Cooper y detectar los electrones emergentes en tiempo real, acercándonos un paso más a probar el entrelazamiento cuántico de electrones que es tan fundamental para la superconductividad».
Algunos de los autores de este artículo ya han completado su doctorado. en TU Delft y comencé a trabajar en otros institutos y empresas. En el futuro, estos investigadores y otros estudiantes que aún se encuentran en el laboratorio de Kouwenhoven continuarán explorando la superconductividad, el entrelazamiento cuántico y la computación cuántica.
«Esperamos que nuestros grupos de investigación continúen combinando la técnica de división de un solo par de Cooper con sensores de paridad que también puedan detectar el giro magnético de los electrones», añadió Prosko.
«Esto permitiría una prueba de la desigualdad de Bell, donde podríamos verificar que los electrones en los superconductores están realmente entrelazados cuánticamente. Se han realizado pruebas similares con electrones en qubits semiconductores. Por otro lado, nuestro grupo de investigación ha estado muy interesado en el par de Cooper. divisores recientemente como una forma de construir qubits especialmente robustos a partir de los exóticos llamados ‘estados vinculados a Majorana’, y estos qubits pueden hacerse más efectivos utilizando nuestro enfoque de deshacerse de algunos de los contactos clave».
Mas informaciones:
Damaz de Jong et al, División controlable de un solo par de Cooper en sistemas híbridos de puntos cuánticos, Cartas de revisión física (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.157001.
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