inglés

Device splits and recombines superconducting electron pairs A device that can separate and recombine pairs of electrons may offer a way to study an unusual form of superconductivity, according to RIKEN physicists. This superconducting state would involve exotic particles called Majorana fermions that could prove useful in developing quantum computers. In conventional superconductors, electrical current flows with no resistance due to electrons teaming up to make 'Cooper pairs'. A superconductor touching a normal conductor can sometimes induce superconductivity in that conductor through Cooper pairs from the superconductor penetrating the normal conductor. Now, Sadashige Matsuo of the RIKEN Center for Emergent Matter Science and colleagues have created a device called a Josephson junction, which can efficiently split these Cooper pairs as they travel from a superconductor into two one-dimensional normal conductors (Fig. 1). Previously, most investigations of Cooper-pair splitting have been done using zero-dimensional 'quantum dots' connected by superconductors. The device had two aluminium electrodes, which become superconducting when cooled to just 1/20th of a degree above absolute zero. The electrodes are bridged by two semiconductor nanowires. The team was able to achieve efficient splitting of Cooper pairs when the electrons traveled in the nanowires without being scattered by objects such as quantum dots. This is in contrast with previous studies. As Cooper pairs travel between the superconducting electrodes, they can either stick together and travel along a single nanowire conductor, an effect known as local pair tunneling, or they can split so that each electron travels through a different nanowire. Despite their physical separation, the two electrons are connected via an effect called quantum entanglement. By fine tuning the voltage that controlled the flow of electrons, the team ensured that more than half of the Cooper pairs split up as they traveled through the nanowires, proving that the device could suppress local pair tunneling (due to the electron–electron interactions in the nanowires). On reaching the other side, the electrons recombined into Cooper pairs. The researchers also found that applying a magnetic field curbed Cooper-pair splitting more than local pair tunneling. These results indicate that the device could be used to generate what is known as a topological superconducting state, in which the superposition of an electron and a hole generates Majorana fermions, a peculiar kind of particle that is equivalent to its own antiparticle. Majorana fermions are of interest because they could be used as quantum 'bits' that carry information in certain types of quantum computer, which promise to have vastly greater processing power than conventional technologies allow. "Our next step is to seek fingerprints of the Majorana fermions in the superconducting junctions of a double nanowire," Matsuo says.

español

El dispositivo divide y recombina pares de electrones superconductores Un dispositivo que pueda separar y recombinar pares de electrones puede ofrecer una forma de estudiar una forma inusual de superconductividad, según los físicos de RIKEN. Este estado superconductor involucraría partículas exóticas llamadas fermiones de Majorana que podrían resultar útiles en el desarrollo de computadoras cuánticas. En los superconductores convencionales, la corriente eléctrica fluye sin resistencia debido a que los electrones se unen para formar 'pares de Cooper'. Un superconductor que toca un conductor normal a veces puede inducir superconductividad en ese conductor a través de pares de Cooper del superconductor que penetra en el conductor normal. Ahora, Sadashige Matsuo del RIKEN Center for Emergent Matter Science y sus colegas han creado un dispositivo llamado unión Josephson, que puede dividir de manera eficiente estos pares de Cooper a medida que viajan desde un superconductor en dos conductores normales unidimensionales (Fig.1). Anteriormente, la mayoría de las investigaciones de la división de pares de Cooper se habían realizado utilizando 'puntos cuánticos' de dimensión cero conectados por superconductores. El dispositivo tenía dos electrodos de aluminio, que se vuelven superconductores cuando se enfrían a solo 1/20 de grado por encima del cero absoluto. Los electrodos están puenteados por dos nanocables semiconductores. El equipo pudo lograr una división eficiente de los pares de Cooper cuando los electrones viajaron en los nanocables sin ser dispersados ​​por objetos como puntos cuánticos.Esto contrasta con estudios anteriores. A medida que los pares de Cooper viajan entre los electrodos superconductores, pueden pegarse y viajar a lo largo de un solo conductor de nanocables, un efecto conocido como túnel de par local, o pueden dividirse para que cada electrón viaje a través de un nanoalambre diferente. A pesar de su separación física, los dos electrones están conectados mediante un efecto llamado entrelazamiento cuántico. Al ajustar el voltaje que controlaba el flujo de electrones, el equipo se aseguró de que más de la mitad de los pares de Cooper se dividieran a medida que viajaban a través de los nanocables, lo que demuestra que el dispositivo podría suprimir el efecto túnel del par local (debido a las interacciones electrón-electrón en los nanocables). Al llegar al otro lado, los electrones se recombinaron en pares de Cooper. Los investigadores también encontraron que la aplicación de un campo magnético frenaba la división del par de Cooper más que el túnel del par local. Estos resultados indican que el dispositivo podría utilizarse para generar lo que se conoce como estado superconductor topológico, en el que la superposición de un electrón y un agujero genera fermiones de Majorana, un tipo peculiar de partícula que es equivalente a su propia antipartícula. Los fermiones de Majorana son de interés porque podrían usarse como 'bits' cuánticos que transportan información en ciertos tipos de computadoras cuánticas, que prometen tener una potencia de procesamiento mucho mayor que la que permiten las tecnologías convencionales."Nuestro siguiente paso es buscar huellas dactilares de los fermiones de Majorana en las uniones superconductoras de un nanoalambre doble", dice Matsuo.

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