На этой схеме показан туннельный переход с наконечником, функционализированным магнитной примесью, которая индуцирует состояние YSR через связь примесь-сверхпроводник. И наконечник, и образец являются сверхпроводящими, поэтому они поддерживают ток Джозефсона. Туннельное соединение между наконечником и образцом имеет два транспортных канала. Один транспортный канал включает состояние YSR, а другой не включает никаких дополнительных состояний (BCS). Интерференция между этими транспортными каналами изменяет ток Джозефсона, что дает информацию об основном состоянии YSR-примеси. Кредит: Каран и др.

Сверхпроводники, материалы, которые могут проводить электричество без сопротивления при низких температурах, обладают многими интересными и полезными свойствами. В последние годы физики и компьютерщики изучают их потенциал для различных приложений, включая технологию квантовых вычислений.

Магнитные примеси, связанные со сверхпроводником, могут создавать так называемые состояния Ю-Шиба-Русинова (YSR) внутри сверхпроводящей щели. Когда связь этих примесей со сверхпроводниками увеличивается, состояние YSR претерпевает квантовый фазовый переход, вызывая изменение основного состояния материала. В то время как многие физики исследовали состояния YSR и их квантовый фазовый переход за последние несколько лет, их влияние на основное состояние сверхпроводников до сих пор плохо изучено.

Исследователи из Института исследований твердого тела им. Макса Планка, Ульмского университета, Немецкого аэрокосмического центра (DLR), Университета Упсалы и Автономного университета Мадрида недавно провели исследование, направленное на получение новой информации об изменениях основного состояния, связанных с состояниями YSR. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Physics, привело к подробному наблюдению за изменением так называемого тока Джозефсона как признака фазового перехода состояния YSR.

«Хотя состояния YSR были тщательно изучены за последние годы, и есть косвенные указания на то, что состояние YSR претерпевает квантовый фазовый переход, прямое указание на то, как изменяется основное состояние, отсутствует», — сказал Кристиан Аст, один из исследователей, сообщил Phys.org. «В принципе, квантовый фазовый переход можно было наблюдать, но никогда не было до конца ясно, по какую сторону квантового фазового перехода он находится. Если обменная связь слаба, примесный спин свободен (состояние YSR пусто в основном состоянии), а если обменная связь сильна, примесный спин экранируется, занимая состояние YSR в основном состоянии».

При соединении со сверхпроводниками спины в квантовых точках создают то, что известно как p-джозефсоновский переход, изменение направления сверхтока материала, которое можно наблюдать, измеряя ток Джозефсона, также известный как сверхток или парный ток Купера. Таким образом, Аст и его коллеги решили измерить ток Джозефсона через состояние YSR и через квантовый фазовый переход этого состояния.

«Ток Джозефсона может сказать нам, на какой стороне квантового фазового перехода находится состояние YSR», — объяснил Аст.

Во-первых, исследователи использовали mK-STM, сканирующий туннельный микроскоп, работающий при базовой температуре 10 мК, для локального измерения одной примеси в состоянии YSR в их образце. Их эксперименты проводились в прецизионной лаборатории Института исследований твердого тела им. Макса Планка, в которой находится mK-STM.

«Чтобы наблюдать реверсию сверхтока, нам пришлось использовать очень хитрую деталь», — сказал Аст. «Обратный сверхток происходит из-за фазового сдвига на туннельном переходе. Если быть точным, фазовый сдвиг на р, т. е. на 180 градусов, что эквивалентно смене знака, поэтому такие переходы называются р-переходами и я предполагаю, что это изменение знака породило термин «реверсия сверхтока».

Фазовые изменения, подобные тем, которые исследовал Аст и его коллеги, очень трудно обнаружить экспериментально. Как правило, для обнаружения этих изменений требуется второй туннельный переход, который можно использовать в качестве опорного. До сих пор большинство исследователей обнаруживали фазовые изменения с помощью так называемого сверхпроводящего устройства квантовой интерференции (СКВИД).

СКВИДы — это очень чувствительные устройства, которые могут обнаруживать и измерять тонкие магнитные поля, токи, напряжения или смещения. Эти устройства основаны на эффекте Джозефсона и измеряют изменения токов Джозефсона.

«Мы имитировали такое устройство, используя второй транспортный канал в нашем туннельном узле, который служит эталонным узлом», — сказал Аст. «В результате мы видим конструктивную интерференцию с одной стороны квантового фазового перехода и деструктивную интерференцию между двумя каналами с другой стороны, которая проявляется в изменении величины джозефсоновского тока».

Во время своего исследования Аст и его коллеги представили то, что можно было бы назвать самым маленьким устройством SQUID, разработанным до сих пор. С помощью этого устройства они обнаружили переход 0-p в состоянии YSR, вызванный магнитной примесью внутри полупроводника.

«Основное различие между обычным СКВИДом и нашим устройством заключается в том, что у нас нет сверхпроводящего контура, через который мы можем пропускать магнитное поле для настройки фазы», ​​— пояснил Аст. Поэтому мы можем обнаружить только смену знака, чего вполне достаточно для нашей цели. С помощью нашего устройства мы успешно обнаружили изменение фазы в переходе 0-p состояния YSR через квантовый фазовый переход».

Это изменение тока Джозефсона, измеренное этой группой исследователей, является четким признаком изменения основного состояния, вызванного состоянием YSR во время его квантового фазового перехода. Аст и его коллеги смогли обнаружить это изменение, впервые использовав интерференцию между двумя туннельными каналами в эффекте Джозефсона, таким образом, используя свой «миниатюрный» СКВИД в качестве датчика.

В своих следующих исследованиях исследователи надеются получить новое представление о фазовых изменениях в сверхпроводниках, используя датчик, представленный в их статье, и другие новые устройства. В конечном счете, их миссия состоит в том, чтобы раскрыть новые квантовые пределы, сведя системы к минимуму, подавив их взаимодействия и сжав их до атомного уровня.

«Физика этих систем может быть смоделирована с помощью сравнительно простых теорий, что делает результат прекрасным», — добавил Аст. «Эта работа является важной вехой в этом поиске новых квантовых пределов. Помимо этой общей цели, мы стремимся использовать эту недавно открытую фазовую чувствительность в функционализированных наконечниках YSR для обнаружения других экзотических явлений».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org