điện tử các trạng thái giống với phân tử và hứa hẹn sử dụng trong máy tính lượng tử trong tương lai đã được các nhà vật lý tại RIKEN tạo ra trong các mạch siêu dẫn.
Ưu điểm rõ ràng nhất của chất siêu dẫn – vật liệu không có điện trở đối với dòng điện tử – trong mạch điện tử là chúng không tạo ra bất kỳ nhiệt lượng lãng phí nào, điều này làm hạn chế hiệu quả sử dụng năng lượng của mạch điện thông thường.
Nhưng họ cũng có một lợi thế lớn khác. Tính siêu dẫn phát sinh do sự tương tác cơ học lượng tử giữa các electron. Những hiệu ứng kỳ lạ này có thể được khai thác trong các thiết bị, cung cấp cho chúng nhiều chức năng không có trong các thiết bị thông thường.
Giờ đây, Sadashige Matsuo thuộc Trung tâm Khoa học Vật chất Mới nổi RIKEN và các đồng nghiệp vừa nghiên cứu một hiệu ứng như vậy. Được biết đến như một phân tử Andreev, nó có thể được sử dụng cho công nghệ thông tin lượng tử trong các máy tính lượng tử trong tương lai. Bài báo được đăng trên tạp chí Nature Communications.
Khối cơ bản của mạch siêu dẫn là tiếp giáp Josephson: một thiết bị được chế tạo bằng cách kẹp một vật liệu bình thường giữa hai chất siêu dẫn, vật liệu này có thể điều khiển dòng siêu dòng.
Khi vật liệu thông thường tiếp xúc với chất siêu dẫn, một electron trong vật liệu thông thường được phản xạ dưới dạng lỗ trống và một cặp electron được tạo ra trong chất siêu dẫn. Sự phản xạ này hình thành các trạng thái ràng buộc trong vật liệu thông thường của điểm nối Josephson, được gọi là các trạng thái ràng buộc Andreev.
Nếu hai điểm nối Josephson đủ gần, chúng có thể tạo thành phân tử Andreev bằng cách liên kết với nhau. Matsuo và các cộng sự của ông tập trung vào hai điểm nối Josephson dùng chung một điện cực siêu dẫn ngắn. Trong cấu trúc, các trạng thái liên kết Andreev ở các mối nối khác nhau dự kiến sẽ liên kết với nhau thông qua điện cực dùng chung.
Matsuo giải thích: “Khi những phân tử Andreev này tồn tại, một điểm nối Josephson có thể điều khiển một điểm nối Josephson khác. “Sau đó, các hiện tượng vận chuyển siêu dẫn kỳ lạ và hữu ích xuất hiện, chẳng hạn như hiệu ứng diode Josephson – một hiệu ứng có thể dẫn đến các bộ chỉnh lưu ít tiêu tán điện năng hơn trong các mạch siêu dẫn.”
Matsuo và các cộng sự đã tạo ra hai điểm nối Josephson bằng một lớp indium arsenide mỏng. Sau đó, họ ghép chúng lại với nhau thông qua một điện cực siêu dẫn dùng chung làm bằng nhôm, siêu dẫn ở nhiệt độ rất thấp.
Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu các đặc tính điện tử của cấu trúc này bằng cách đo dòng điện xuyên hầm tới các điểm nối ở các điện áp ứng dụng và cường độ từ trường khác nhau, một kỹ thuật gọi là quang phổ xuyên hầm. Điều này cho phép họ quan sát được mức năng lượng trong các điểm nối Josephson tương ứng với các phân tử Andreev.
Matsuo cho biết: “Các nhà nghiên cứu trước đây đã báo cáo đặc tính quang phổ của các phân tử Andreev trong các cấu trúc thiết bị khác nhau”. “Nhưng hiện nay chúng tôi đã thành công trong việc quan sát chúng trong các tiếp giáp Josephson ghép đôi và lần đầu tiên chứng minh được khả năng điều khiển được chúng.
“Công việc của chúng tôi cung cấp thông tin cơ bản về phân tử Andreev. Và nó sẽ mở đường cho việc chế tạo các hiện tượng vận chuyển siêu dẫn kỳ lạ ở các điểm nối Josephson trong tương lai.”