Продемонстрирована спиновая корреляция между спаренными электронами
Физики Базельского университета впервые экспериментально продемонстрировали наличие отрицательной корреляции между двумя спинами запутанной пары электронов из сверхпроводника. Для своего исследования исследователи использовали спиновые фильтры, сделанные из наномагнитов и квантовых точек, о чем они сообщают в научном журнале Nature.
Электроны покидают (обычный) сверхпроводник (S) только парами и только с противоположными спинами (стрелка вверх или вниз, красная или синяя). Если оба электронных пути заблокированы для одного и того же типа спина параллельными спиновыми фильтрами (здесь для спина вниз (синий)), то одиночный электрон со спином вверх (красный) в принципе может выйти, но спаренные электроны из сверхпроводника блокируются, что идеально подавляет оба электрических тока. Авторы и права: Факультет физики Базельского университета, Scixel
Запутанность между двумя частицами относится к тем явлениям квантовой физики , которые трудно примирить с повседневным опытом. В случае запутывания определенные свойства двух частиц тесно связаны, даже если они находятся далеко друг от друга. Альберт Эйнштейн описал запутанность как «жуткое действие на расстоянии». Исследование запутанности между световыми частицами (фотонами) было удостоено Нобелевской премии по физике в этом году.
Два электрона тоже могут быть запутаны — например, в своих спинах. В сверхпроводнике электроны образуют так называемые куперовские пары, ответственные за электрические токи без потерь, в которых запутаны отдельные спины.
В течение нескольких лет исследователи из Швейцарского института нанотехнологий и факультета физики Базельского университета смогли выделить электронные пары из сверхпроводника и пространственно разделить два электрона. Это достигается с помощью двух квантовых точек — параллельно соединенных наноэлектронных структур, каждая из которых пропускает только одиночные электроны.
В отличие от параллельных спиновых фильтров, для антипараллельных спиновых фильтров пары электронов могут выходить из сверхпроводника, что можно обнаружить как значительно усиленные электрические токи на обоих путях. Авторы и права: Факультет физики Базельского университета, Scixel
Противоположные спины электронов от куперовских пар
Команда профессора доктора Кристиана Шёненбергера и доктора Андреаса Баумгартнера в сотрудничестве с исследователями под руководством профессора доктора Лючии Сорба из Istituto Nanoscienze-CNR и Scuola Normale Superiore в Пизе теперь смогла экспериментально продемонстрировать то, что давно теоретически ожидалось: электроны из сверхпроводника всегда выходят парами с противоположными спинами.
Используя инновационную экспериментальную установку, физики смогли измерить, что спин одного электрона направлен вверх, когда другой направлен вниз, и наоборот. «Таким образом, мы экспериментально доказали отрицательную корреляцию между спинами спаренных электронов», — объясняет руководитель проекта Андреас Баумгартнер.
Исследователи достигли этого с помощью спинового фильтра, разработанного в их лаборатории. Используя крошечные магниты, они генерировали индивидуально регулируемые магнитные поля в каждой из двух квантовых точек, разделяющих электроны куперовской пары. Поскольку спин также определяет магнитный момент электрона, в каждый момент времени допускается только один конкретный тип спина.
«Мы можем настроить обе квантовые точки так, чтобы через них проходили в основном электроны с определенным спином», — объясняет первый автор доктор Арунав Бордолой. «Например, электрон со спином вверх проходит через одну квантовую точку, а электрон со спином вниз проходит через другую квантовую точку, или наоборот — уменьшаются, даже если отдельный электрон вполне может пройти через одну квантовую точку».
«С помощью этого метода мы впервые смогли обнаружить такие отрицательные корреляции между спинами электронов в сверхпроводнике», — заключает Андреас Баумгартнер. «Наши эксперименты — это первый шаг, но еще не окончательное доказательство запутанных электронных спинов, поскольку мы не можем произвольно устанавливать ориентацию спиновых фильтров, но мы работаем над этим».
Исследование, которое недавно было опубликовано в журнале Nature, считается важным шагом на пути к дальнейшим экспериментальным исследованиям явлений квантовой механики, таких как запутывание частиц в твердых телах, что также является ключевым компонентом квантовых компьютеров.
