Thiết bị hủy và tái kết cặp electron siêu dẫn

Một thiết bị có thể hủy cặp và tái kết hợp các cặp electron có thể đưa ra một cách mới để nghiên cứu về một hình thức khác thường của chất siêu dẫn, theo các nhà vật lý RIKEN. Trạng thái siêu dẫn này có thể đưa vào các hạt “lạ” mang tên các fermion Majorana, vốn có thể chứng minh là hữu dụng trong việc phát triển các máy tính lượng tử.

Trong các siêu dẫn thông thường, dòng điện tích di chuyển mà không gặp phải điện trở do các electron có xu hướng kết lại thành các cặp Cooper. Việc một siêu dẫn tiếp xúc với một chất dẫn điện thông thường đôi khi có thể dẫn đến sự hình thành tính siêu dẫn trong chất dẫn điện thông thường đó thông qua sự thâm nhập của các cặp Cooper từ chất siêu dẫn.

Hiện tại, Sadashige Matsuo của Trung tâm Khoa học vật chất mới nổi của RIKEN và đồng nghiệp đã tạo ra một thiết bị gọi là hợp lưu Josephson, vốn có thể hủy các cặp Cooper đó một cách hiệu quả khi chúng di chuyển từ một siêu dẫn vào hai chất dẫn điện một chiều. Trước đây, phần lớn các thí nghiệm về hủy cặp Cooper đều được thực hiện với các “chấm lượng tử” không chiều kết nối bằng các chất siêu dẫn.

Thiết bị này có hai điện cực bằng nhôm, trở thành siêu dẫn khi được làm lạnh với 1/20 của một độ trên động không tuyệt đối. Các điện cực này được nối bằng hai sợi dây ở kích thước nano bán dẫn. Nhóm nghiên cứu đã có thể đạ được sự hủy cặp Cooper hiệu quả khi các electron di chuyển qua dây nano mà không bị phân tán bởi các vật thể như các chấm lượng tử. Điều này hoàn toàn trái ngược với các nghiên cứu trước đó.

Khi các cặp Cooper di chuyển giữa các điện cực siêu dẫn, chúng có thể dính lại với nhau và di chuyển dọc theo một dây dẫn nano đơn lẻ, một hiệu ứng mà người ta gọi là đường hầm kết cặp cục bộ (local pair tunneling) hoặc chúng có thể tách để mỗi electron có thể di chuyển thông qua một dây dẫn nano khác nhau. Bất chấp sự phân tách vật lý, hai điện cực vẫn được kết nối thông qua một hiệu ứng gọi là rối lượng tử.

Bằng việc đặt một điện áp để kiểm soát dòng chảy các electron, nhóm nghiên cứu đã đảm bảo hơn một nửa các cặp Cooper bị phân chia khi chúng đi qua dây dẫn nano, chứng tỏ thiết bị này có thể khử hiệu ứng đường hầm kết cặp cục bộ (do các tương tác electron–electron trong các day dẫn nano). Khi gặp lại nhau, các electron có thể tái hợp trở lại thành các cặp Cooper. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy điều này bằng việc đưa một từ trường uốn sự tách cặp Cooper.

Các kết quả này cho thấy thiết bị đó có thể được dùng để tạo ra những gì mà chúng ta vẫn biết là trạng thái siêu dẫn topo, trong đó sự chồng chập của một electron và một hố sinh ra các fermion Majorana, một loại hạt khác thường tương đương với phản hạt của chính nó. Các fermion Majorana được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm bởi chúng có thể được dùng như các “bit” lượng tử mang thông tin trong những dạng máy tính lượng tử, những thiết bị có khả năng xử lý dữ liệu cực lớn một cách hiệu quả hơn bất kỳ máy tính hiện nay.

“Bước tiếp theo của chúng tôi là tìm kiếm vết tích của các fermion Majorana trong các khớp nối siêu dẫn của một dây dẫn nano kép”, Matsuo nói.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-12-device-recombines-superconducting-electron-pairs.html