Идеальный квантовый портал

Ученые-физики получили самое прямое на сегодняшний день доказательство квантового эффекта, который позволяет частицам проходить через барьер, как будто его там нет. Результат, представленный на обложке журнала Nature от 20 июня 2019 года, может позволить инженерам разработать унифицированные компоненты для будущих квантовых компьютеров, квантовых датчиков и других устройств.

Новый эксперимент представляет собой наблюдение туннелирования Клейна, частного случая более обычного квантового явления. В квантовом мире туннелирование позволяет частицам, таким как электроны, проходить через барьер, даже если у них недостаточно энергии, чтобы фактически преодолеть его. Более высокий барьер обычно делает этот процесс сложнее и пропускает меньше частиц.

Туннелирование Клейна происходит, когда барьер становится полностью прозрачным, открывая портал, по которому частицы могут проходить независимо от высоты барьера. Ученые и инженеры из Центра нанофизики и современных материалов (CNAM), Объединенного квантового института (JQI) и Центра теории конденсированного состояния (CMTC) показали самые убедительные измерения эффекта.

«Туннелирование Клейна изначально было релятивистским эффектом, впервые предсказанным почти сто лет назад», — говорит Ичиро Такеучи, профессор материаловедения и инженерии (MSE) в UMD и старший автор нового исследования. «До недавнего времени, однако, мы не могли наблюдать это».

Было почти невозможно собрать доказательства туннелирования Клейна, где это было впервые предсказано — мир квантовых частиц высокой энергии, движущихся близко к скорости света. Но в последние несколько десятилетий ученые обнаружили, что некоторые из правил, регулирующих быстродвижущиеся квантовые частицы, также применимы к сравнительно спокойным частицам, путешествующим вблизи поверхности некоторых необычных материалов.

Одним из таких материалов, который ученые использовали в новом исследовании, является гексаборид самария (SmB6), вещество, которое становится топологическим изолятором при низких температурах. В обычном изоляторе, таком как дерево, резина или воздух, электроны улавливаются и не могут двигаться даже при приложении напряжения. Таким образом, в отличие от своих свободно перемещающихся товарищей по металлической проволоке, электроны в изоляторе не могут проводить ток.

Топологические изоляторы, такие как SmB6, ведут себя как гибридные материалы. При достаточно низких температурах внутренняя часть SmB6 является изолятором, но поверхность его металлическая и дает электронам некоторую свободу перемещения. Кроме того, направление движения электронов становится привязанным к внутреннему квантовому свойству, называемому спином, которое может быть ориентировано вверх или вниз. Например, у электронов, движущихся вправо, вращение всегда будет направлено вверх, а у электронов, движущихся влево, вращение направлено вниз.

Однако металлической поверхности SmB6 было бы недостаточно, чтобы обнаружить туннелирование Клейна. Оказалось, что ученые должны были превратить поверхность SmB6 в сверхпроводник — материал, который может проводить электрический ток без какого-либо сопротивления.

Чтобы превратить SmB6 в сверхпроводник, его тонкую пленку положили поверх слоя гексаборида иттрия (YB6). Когда вся сборка была охлаждена до нескольких градусов выше абсолютного нуля, YB6 стал сверхпроводником, а благодаря своей близости металлическая поверхность SmB6 также стала сверхпроводником.

Комбинация оказалась правильной смесью, чтобы наблюдать туннелирование Клейна. Приведя крошечный металлический наконечник в контакт с SmB6, физики измерили перенос электронов от наконечника в сверхпроводник. Они наблюдали совершенно удвоенную проводимость — меру того, как ток через материал изменяется при изменении напряжения на нем.

Когда Такеучи и его коллеги убедились, что измерения были точными, они изначально не поняли источник удвоенной проводимости. Поэтому они начали искать объяснение.

«Сначала это была догадка, — говорит Виктор Галицкий из UMD. «Но со временем мы стали более убежденными в том, что сценарий Клейна действительно может быть основной причиной наблюдений».

Теория предполагает, что туннелирование Клейна проявляется в этой системе как совершенная форма андреевского отражения, эффект, присутствующий на каждой границе между металлом и сверхпроводником. Андреевское отражение может происходить всякий раз, когда электрон из металла прыгает на сверхпроводник. Внутри сверхпроводника электроны вынуждены жить в парах, поэтому, когда электрон прыгает, он подхватывает своего «приятеля».

Чтобы сбалансировать электрический заряд до и после прыжка, частица с противоположным зарядом — которую ученые называют дыркой — должна отражаться обратно в металл. Это отличительная черта андреевского отражения: электрон входит, дыра возвращается. И поскольку дыра, движущаяся в одном направлении, несет тот же ток, что и электрон, движущийся в противоположном направлении, весь этот процесс удваивает общую проводимость — сигнатуру туннелирования Кляйна через соединение металла и топологического сверхпроводника.

В обычных соединениях металла и сверхпроводника всегда есть электроны, которые не совершают прыжок. Они рассеиваются от границы, уменьшая количество андреевских отражений и предотвращая точное удвоение проводимости.

Но поскольку у электронов на поверхности SmB6 направление движения привязано к их спину, электроны вблизи границы не могут отскочить назад — это означает, что они всегда будут проходить прямо в сверхпроводник.

«Туннелирование Клейна наблюдалось и в графене», — говорит Такеучи. «Но здесь, потому что это сверхпроводник, я бы сказал, что эффект более впечатляющий. Вы получаете точное удвоение и полное подавление рассеяния, и этому нет аналога в эксперименте с графеном».

Соединения между сверхпроводниками и другими материалами являются компонентами в некоторых предлагаемых архитектурах квантового компьютера, а также в устройствах точного зондирования. По словам Такеучи, проклятие этих компонентов всегда заключалось в том, что каждый узел немного отличается, что требует бесконечной настройки и калибровки для достижения наилучшей производительности. Но благодаря туннелированию Клейна в SmB6 у исследователей может появиться противоядие от этой нерегулярности.

Perfect Andreev reflection due to the Klein paradox in a topological superconducting state, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1305-1 , https://www.nature.com/articles/s41586-019-1305-1