Josephsonin liitokset vain yhdellä suprajohteella

Mitä jos Josephsonin liitos voisi toimia vain yhdellä suprajohteella – se voisi avata uusia mahdollisuuksia yksinkertaisemmille ja joustavammille kvanttilaskennan suunnitelmille?

Buffalon yliopiston vetämä kansainvälinen tiimi on saanut ensimmäisen kokeellisen todisteen juuri tästä mittaamalla sähköistä käyttäytymistä, joka jäljittelee Josephsonin liitosta kahdella suprajohteella, vaikka läsnä on vain yksi.

Heidän tutkimustuloksensa viittaavat siihen, että suprajohtava metalli vanadiini vuotaa suprajohtavaa käyttäytymistä esteen yli ja indusoi elektronipariutumisen - suprajohtavuuden tunnusmerkin - toisella puolella olevaan rautaan.

Vaikka suprajohteiden tiedetään indusoivan heikkoa suprajohtavaa käyttäytymistä lähellä olevissa materiaaleissa, raudan indusoima käyttäytyminen oli riittävän voimakasta tuottamaan Josephsonin liitoksen kaltaisen synkronoinnin sen ja vanadiinin välille.

Mittaukset paljastivat elektronien liikkuvan suurissa, hyvin koordinoiduissa ryhmissä raudan sisällä – tunnusmerkki synkronoidulle käyttäytymiselle, jota normaalisti havaitaan vain, kun kaksi suprajohtavaa materiaalia on yhdistetty Josephsonin liitoksessa.

Tämä oli erittäin odottamatonta, koska rauta on ferromagneetti, ja ferromagnetismi ja suprajohtavuus toimivat normaalisti toisiaan vastaan.

Rauta kuitenkin kykeni jotenkin muodostamaan suprajohtavia elektronipareja, joiden spinit olivat samaan suuntaan.

Tutkijat joutuvat nyt teoretisoimaan, miten rauta pystyi tekemään saman spinin omaavista elektroniparistaan niin vankkoja, että se käyttäytyi ikään kuin se olisi itsenäinen suprajohde.

Silti he ovat innoissaan siitä, että samaa spiniä omaavien elektronien pariutumisella voisi olla vaikutuksia topologisiin suprajohteisiin, jotka kestävät paremmin ympäristön häiriöitä. Tällaiset suprajohteet suojaavat kvantti-informaatiota – usein sidottuna elektronien spiniin – solmumaisella tavalla, joten järjestelmän osien häiriöt eivät helposti paljasta, mitä ytimessä tapahtuu.

”Perinteisten kvanttitietokoneiden ongelmana on, että pienetkin ympäristön muutokset voivat muuttaa niiden elektronien spiniä. Haluamme löytää tavan lukita elektronin spin paikoilleen, ja saman spinin omaavien elektronien pariutuminen voisi tarjota vastauksia”, Žutić sanoo.

Toinen mahdollinen etu on, että Josephsonin liitos voitaisiin tulevaisuudessa tehdä melko tavallisista materiaaleista – sekä rautaa että magnesiumoksidia käytetään laajalti kaupallisesti saatavilla olevissa magneettisissa tietokoneiden kiintolevyissä ja magneettisessa RAM-muistissa.

”Olemme lisänneet suprajohtavan ominaisuuden kaupallisesti kannattaviin laitteisiin”, Žutić sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Yksittäisestä 2D-materiaalista suprajohtava liitos

Josephson-liitosten käyttö supravirran ohjaamiseen

Edistystä suprajohteisissa kubiteissa