Расчетные графики состояний Шиба в сверхпроводнике с магнитным атомом наверху показывают два пересечения, которые происходят при нулевой энергии. 
Кредит: Исх. 1. Авторское право (2023) Американского физического общества.

Происхождение таинственного экспериментального наблюдения в сверхпроводнике с магнитной примесью на его поверхности было раскрыто в теоретическом исследовании исследователя RIKEN и его сотрудника. Это может помочь реализовать надежное квантовое состояние сверхпроводника, которое может найти применение в квантовых компьютерах.

Сверхпроводники проводят электричество без какого-либо сопротивления, поскольку электроны в них образуют пары, имеющие энергетическую щель. Но размещение магнитного атома поверх сверхпроводника создает новое состояние в этой энергетической щели в результате взаимодействия магнетизма атома со спаренными электронами сверхпроводника.

Это состояние, известное как состояние Ю-Шиба-Русинова или для краткости Шиба, вызывает большой интерес, поскольку оно может пролить свет на появление особого состояния в топологическом сверхпроводнике, называемого нулевой модой Майораны, которое является многообещающим для реализации отказоустойчивых квантовых вычислений.

Экспериментаторы используют сканирующие туннельные микроскопы для исследования сверхпроводников с магнитными атомами на них. Контроль расстояния между наконечником микроскопа и атомом позволяет им контролировать, насколько сильно атом взаимодействует со сверхпроводником. Но один вывод, который озадачил их, — это наблюдение, что состояния Шиба имеют два пересечения с нулевой энергией при изменении взаимодействия, что отличается от теории, предсказывающей только одно такое пересечение.

«Таким образом, на самом деле существует несоответствие между теорией и экспериментом», — говорит Чинг-Кай Чиу из Междисциплинарной программы теоретических и математических наук RIKEN. «Это мотивация нашего исследования».

Теперь, проведя теоретический анализ такой системы, Чиу и его сотрудник обнаружили происхождение двойного пересечения.

Они обнаружили, что взаимодействие магнитного атома с объемными состояниями сверхпроводника вызывает двойное пересечение. Предыдущие анализы упускали из виду это, поскольку учитывали только поверхностные состояния сверхпроводника. «Наш анализ показал, что вы не можете игнорировать массовую теорию», — говорит Чиу. «Вы должны рассмотреть всю систему».

Два исследователя достигли большего, чем предполагали. «Изначально у нас не было намерения объяснять два пересечения», — говорит Чиу. «Это стало для нас настоящим сюрпризом. Когда мы запустили наши симуляции и увидели их, мы подумали, что это могла быть ошибка. Но дальнейший анализ показал, что мы наткнулись на истоки двойного пересечения».

Основываясь на их анализе, пара предлагает экспериментальную установку для сканирующей туннельной микроскопии, которая должна быть в состоянии различать два пересечения нулевой энергии.