Иллюстрация андреевского отражения между сверхпроводником и атомарно острым металлическим наконечником. Предоставлено: Университет Аалто / Хосе Ладо.

Сверхпроводники — это материалы, не обладающие электрическим сопротивлением , обычно требующие чрезвычайно низких температур. Они используются в самых разных областях, от медицинских приложений до центральной роли в квантовых компьютерах. Сверхпроводимость обусловлена ​​особым образом связанными парами электронов, известными как куперовские пары. До сих пор появление пар Купера измерялось косвенно макроскопически в массе, но новый метод, разработанный исследователями из Университета Аалто и Национальной лаборатории Ок-Риджа в США, может обнаруживать их появление с атомарной точностью.

Эксперименты проводились Вонхи Ко и Петром Максимовичем в Окриджской национальной лаборатории при теоретической поддержке профессора Хосе Ладо из Университета Аалто. Электроны могут «квантово туннелировать» через энергетические барьеры, перескакивая из одной системы в другую через пространство способом, который не может быть объяснен с помощью классической физики. Например, если электрон соединяется с другим электроном прямо в точке, где встречаются металл и сверхпроводник, он может образовать куперовскую пару, которая входит в сверхпроводник, а также «отбрасывает» частицы другого типа в металл в процессе, известном как Андреево отражение. Исследователи искали эти андреевские отражения, чтобы обнаружить куперовские пары.

Для этого они измерили электрический ток между атомарно острым металлическим наконечником и сверхпроводником, а также то, как ток зависит от расстояния между наконечником и сверхпроводником. Это позволило им обнаружить количество андреевского отражения, возвращающегося к сверхпроводнику, сохраняя при этом разрешение изображения, сравнимое с отдельными атомами. Результаты эксперимента точно соответствовали теоретической модели Ладо.

Это экспериментальное обнаружение куперовских пар в атомном масштабе обеспечивает совершенно новый метод понимания квантовых материалов. Впервые исследователи могут однозначно определить, как волновые функции куперовских пар реконструируются в атомном масштабе и как они взаимодействуют с примесями атомарного масштаба и другими препятствиями.

«Этот метод устанавливает критически важную новую методологию для понимания внутренней квантовой структуры экзотических типов сверхпроводников, известных как нетрадиционные сверхпроводники, потенциально позволяя нам решать множество открытых проблем в квантовых материалах», — говорит Ладо. Нетрадиционные сверхпроводники являются потенциальным фундаментальным строительным блоком для квантовых компьютеров и могут стать платформой для реализации сверхпроводимости при комнатной температуре. Куперовские пары имеют уникальную внутреннюю структуру в нетрадиционных сверхпроводниках, которую до сих пор было сложно понять.

Это открытие позволяет напрямую исследовать состояние куперовских пар в нетрадиционных сверхпроводниках, устанавливая критически важный новый метод для целого семейства квантовых материалов. Он представляет собой важный шаг вперед в нашем понимании квантовых материалов и помогает продвигать работу по разработке квантовых технологий.