3D-вид некоторых структур, построенных по атомам из серебра (небольшие бугорки). В верхней левой четверти изображения видны прямоугольная и круглая электронная клетка.
Кредит: Лукас Шнайдер

Обычно электроны отталкиваются друг от друга из-за своего отрицательного заряда. Это явление оказывает огромное влияние на многие свойства материалов, например, на электрическое сопротивление. Ситуация резко меняется, если электроны «склеиваются» в пары и становятся бозонами. Бозонные пары не избегают друг друга, как отдельные электроны, но многие из них могут находиться в одном и том же месте или совершать одно и то же движение.

Одним из самых интригующих свойств материала с такими электронными парами является сверхпроводимость, возможность пропускать электрический ток через материал без какого-либо электрического сопротивления. В течение многих лет сверхпроводимость нашла множество важных технологических применений, включая магнитно-резонансную томографию или высокочувствительные детекторы магнитных полей.

Сегодня постоянное уменьшение масштабов электронных устройств сильно влияет на исследования того, как сверхпроводимость может быть индуцирована в гораздо меньших структурах на наноуровне.

Исследователи из Департамента физики и Кластера передового опыта «CUI: Advanced Imaging of Matter» в Гамбургском университете теперь реализовали спаривание электронов в искусственном атоме, называемом квантовой точкой, который является наименьшим строительным блоком для наноструктурированных электронных устройств.

С этой целью исследователи под руководством доктора медицинских наук Йенса Вибе из Института наноструктуры и физики твердого тела заперли электроны в крошечных клетках, которые они построили из серебра, атом за атомом. Связывая запертые электроны с элементарным сверхпроводником, электроны унаследовали тенденцию к спариванию от сверхпроводника.

Вместе с группой физиков-теоретиков Кластера во главе с доктором Торе Посске исследователи связали экспериментальную сигнатуру, спектроскопический пик при очень низкой энергии, с квантовым состоянием, предсказанным в начале 1970-х годов Кадзусигэ Мачида и Фумиаки Сибата.

Хотя до сих пор это состояние ускользало от прямого обнаружения экспериментальными методами, недавняя работа исследователей из Нидерландов и Дании показывает, что оно полезно для подавления нежелательного шума в трансмоновых кубитах, важнейшем строительном блоке современных квантовых компьютеров.

Казусигэ Мачида написал первому автору публикации, доктору Лукасу Шнайдеру: «Я благодарю вас за то, что вы «открыли» мою старую статью полвека назад. Я долгое время думал, что немагнитные примеси переходных металлов производят щелевое состояние, но расположение его так близко к краю сверхпроводящей щели, [что] невозможно доказать его существование. Но своим гениальным методом вы, наконец, проверили его истинность экспериментально».