Et spin fra eller til gør hele forskellen. Succes med komplekse kvantetilstande på Niels Bohr Institutet – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2018 > Et spin fra eller til ...

23. juli 2018

Et spin fra eller til gør hele forskellen. Succes med komplekse kvantetilstande på Niels Bohr Institutet

Publikation:

Forskere fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet er for første gang lykkedes med at realisere, kontrollere og forstå komplekse kvantetilstande baseret på to elektroners spin forbundet til en superleder. Resultatet er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Nature Communications, og er blevet til i et samarbejde mellem NBIs egne forskere, en udenlandsk forsker og en enkelt specialestuderende.

Elektronstrålemikroskopi billede af en halvleder nanotråd lavet af Indium Arsenid elektrisk forbundet til en superleder og et normalt metal. De to spin viser illustrativ hvor på nanotråden de magnestiske urenheder er defineret. I dette tilfælde skabes de to urenheder ved hjælp af elektron spin.

Kvanteteknologi bygger på at forstå og kontrollere kvantetilstandene i nanoelektroniske komponenter. Dvs. komponenter på nanoskala niveau. Det kan fx være via elektriske spændinger, på samme måde som det foregår i komponenterne i en computer. De er bare væsentligt mere komplekse, når vi er på nanoskala niveau, og forskerne er stadig i færd med at undersøge og forstå de fænomener, der opstår på denne helt lille skala. I dette tilfælde handler det om kvantetilstandene i nanokomponenter, lavet af halvledertråde og superledende materiale. Det kræver forståelse for to fundamentale fænomener i moderne fysik, nemlig magnetisme og superledning.

Opbygning af ny viden er ligesom at lege med klodser

Forskerne har elektrisk defineret to magnetiske urenheder langs med en halvleder nanotråd. Det gør man ved fx at placere et elektronspin, der er magnetisk, på en superleder, og derefter observere, hvordan det ændrer kvantetilstandene. Ved at placere to magnetiske urenheder fremfor én, som man hidtil har gjort, er der pludselig mange flere muligheder for at nye kvantetilstande kan opstå. På den måde bygger forskerne deres forståelse op, ved at tilføre mere og mere kompleksitet til systemerne. ”Det er lidt som at bygge med byggeklodser. Først har vi ét elektronspin, derefter kan vil lave to, vi kan sætte dem på én måde eller koble dem på en anden måde, ændre egenskaberne ved den ene osv. Det er lidt ligesom at bygge et hus af sin tiltagende forståelse af, hvad der foregår i de her kvantetilstande”, siger Kasper Grove- Rasmussen, som har stået for den eksperimentelle del af arbejdet.

Kvanteteori fra 1960 får nyt liv i nanokomponenter

Det gælder om at kategorisere de forskellige kvantetilstande i forhold til hinanden, for at kunne få overblik over hvordan de enkelte dele interagerer. Allerede i 1960erne blev det teoretiske fundament for dette arbejde gjort, idet tre fysikere, L. Yu, H. Shiba og A.I. Rusinov udgav uafhængige teorier for, hvordan magnetiske urenheder på overfladen af superlederen kan forårsage nye typer af kvantetilstande. Tilstandene, som det er lykkedes forskerne ved NBI at skabe eksperimentelt, kaldes derfor Yu-Shiba-Rusinov tilstande. Men de er væsentligt mere komplekse, end de Yu-Shiba-Rusinov tilstande med et enkelt spin, man før har lavet. Det kan derfor være et trin på vejen til at danne mere avancerede strukturer, der vil bidrage til forståelsen af potentielle kvantecomputer komponenter baseret på halvleder-superleder materialer. Kasper Grove-Rasmussen understreger dog, at det først og fremmest er det grundlæggende videnskabelige arbejde, som laves nu.

Skematisk 3D model af Yu-Shiba-Rusinov komponenten. To elektron spin er defineret langs med nanotråden ved at sætte passende spændinger på de små elektroder under nanotråden. Ved elektrisk at koble de to spin til superlederen fås Yu-Shiba-Rusinov tilstande, som kan studeres ved at sende strøm igennem komponenten via disse tilstande fra det normale metal til superlederen.

Teoretisk forståelse udarbejdet af en specialestuderende

Gorm Steffensen, nu PhD studerende på Niels Bohr Institutet, var i færd med at skrive sit speciale, da artiklen blev skrevet, og han har spillet en vigtig rolle for resultatet. Mens arbejdet med artiklen foregik, var han studerende i teoretisk fysik, og har samarbejdet med sin vejleder, Jens Paaske, om at beskrive kvantefænomenerne teoretisk. Dermed viser publikationen også, at samarbejdet om et videnskabeligt resultat på Niels Bohr Institutet godt kan inkludere de studerende. Gorm Steffensens opgave var, i samarbejde med sin vejleder og den slovenske forsker,  Rok Žitko, at udarbejde en teoretisk model, der rummer alle de aspekter, som eksperimenterne viser. Selve nanotrådene i eksperimentet blev udviklet af phd studerende i Jesper Nygårds gruppe. Det er en almindelig metode på Niels Bohr institutet, at forskerne arbejder med mange forskellige kompetencer, samt på kryds og tværs af fagligheder og niveau.

Resultatet er udgivet i artiklen: https://www.nature.com/articles/s41467-018-04683-x