Графеновые квантовые точки расщепляют куперовские пары

Сверхпроводящие куперовские пары электронов были разделены для создания зацепленных пар электронов в новом устройстве, построенном физиками из Финляндии и России. Устройство использует две квантовые точки, сделанные из графена. Хотя для этой цели могут быть использованы другие виды квантовых точек, последнее исследование показывает, что графеновые квантовые точки должны создавать долгоживущие зацепленные электронные пары, которые могут быть использованы в квантовых компьютерах.

Зацепление является квантово-механическим явлением, в котором свойства элементарных частиц коррелируют таким образом, что сделанные измерения на одной частице могут мгновенно повлиять другую частицу даже на очень больших расстояниях. В принципе, квантовый компьютер может использовать эту связанность для выполнения определенных расчетов гораздо быстрее, чем обычный компьютер. Хотя практического квантового компьютера сегодня не существует, некоторые потенциальные проекты включают использование собственных угловых моментов, или "спина", электронов в качестве квантовых битов (кубитов) информации, которые (электроны) могут быть зацепленными.

Сверхпроводники обеспечивают готовый источник зацепленных электронов, потому что куперовские пары, которые делают эти материалы сверхпроводящими, являются фактически зацепленными парами электронов с противоположными спинами. Разделение пар при сохранении зацепления электронов может быть сделано просто путем подключения обычных металлических проводов в любой конец сверхпроводника. Если установка сделана правильно, каждый провод унесет один электрон из пары. Тем не менее, чаще бывает, что оба электрона оказываются, в конечном итоге, в той же проволоке.

Один из способов повысить шансы в пользу разделения – заменить провода крошечными шариками полупроводника, содержащих только несколько тысяч атомов. Эти квантовые точки имеют уровни энергии электрона, которые могут быть установлены точно, аккуратно регулируя их размер. Два электрона из каждой куперовской пары могут быть направлены к различным уровням резонансной энергии и в результате разделены. Этот подход уже используется с помощью квантовых точек, сделанных из арсенида индия, и с большей эффективностью с помощью углеродных нанотрубок.

Последняя работа, выполненная Пертти Хаконеном (Pertti Hakonen) и коллегами в Университете Аалто в Финляндии вместе с Гордеем Лесовиком из Института теоретической физики Ландау в Подмосковье, использует квантовые точки, сделанные из графена. Графен позволяет сохранить зацепление разделенных электронных пар дольше благодаря тому, что он состоит из одного слоя атомов углерода, который ограничивает движение электронов прямой линией и таким образом позволяет избежать электромагнитного излучения, которое разрушает спиновое состояние.

Команда использовала электронно-лучевую литографию, чтобы вырезать две прямоугольные квантовые точки (каждая 200 × 150 нм) из слоя графена, нанесенного на подложку двуокиси кремния. Точки, расположенные на 180 нм друг от друга, были покрыты сверхпроводником, изготовленным из тонкого сэндвича из титана и алюминия, и подсоединены к двум металлическими контактами.

Чтобы разделить зацепленные электроны сверхпроводника, исследователи сначала установили резонансный уровень энергии квантовых точек равным энергии куперовских пар. Затем они изменяли напряжение на управляющем электроде одной из точек и наблюдали ток, протекающий через другую. Они обнаружили, что по большей части диапазона напряжения тока не было, но при некоторых напряжениях ток вдруг увеличивался, затем падал ниже нуля, а потом возвращался к нулевой отметке. Рост, как они объясняют, происходит при этом напряжении потому, что энергия в одной точке увеличивается очень незначительно, в то время как в другой так же незначительно падает, заставляя электроны разделяться и таким образом создавать ток (неразделенные пары регистрируются как нулевой ток). Отрицательный ток, тем временем, вызывается электронами "упругого сотуннелирования" (elastic co-tunneling) через сверхпроводник. «Это как переключатель, который меняет направление тока, выставляя энергетические уровни либо симметрично, либо антисимметрично», - сказал Хаконен.

Хаконен и его коллеги работают над увеличением эффективности устройства – в настоящее время оно разделяет только 10% электронов, проходящих через него, – за счет улучшения управления энергетическими уровнями квантовых точек. Они также ставят цель показать, что устройство не только расщепляет куперовские пары, но что оно фактически сохраняет зацепление. Они планируют сделать это путем регистрации спина разделенных электронов с использованием контактов, сделанных из железо-никелевого магнитного сплава, называемого пермаллоем.

С помощью графеновых квантовых точек можно разделить куперовские пары