Atomitason näkymä suprajohtavuuteen viitoittaa tietä uusille kvanttimateriaaleille

Suprajohtimet ovat materiaaleja, joilla ei ole mitään sähkövastusta. Ne ovat keskeisiä materiaaleja esimerkiksi kvanttitietokoneissa ja lääketieteessä, mutta niiden käyttö on haastavaa. Suprajohtimet vaativat yleensä äärimmäisiä olosuhteita, esimerkiksi erittäin kylmän lämpötilan. Ilmiön aiheuttavat ns. Cooperin parit, eli tietyllä tavalla pariutuvat elektronit. Tähän asti Cooperin pareja on mitattu vain epäsuorasti, mutta Aallon ja Oak Ridge National Laboratoryn tutkijat ovat nyt havainneet niitä yksittäisten atomien tasolla.

Oak Ridgen tutkijat Wonhee Ko ja Petro Maksymovych käyttivät perustanaan Aallon fysiikan professori Jose Ladon teoriaa. Kvanttimekaniikassa elektronit voivat ”tunneloitua” järjestelmästä toiseen tavalla, jota klassisen fysiikan mallit eivät pysty selittämään. Jos esimerkiksi elektroni muodostaa parin toisen elektronin kanssa juuri siinä kohdassa, jossa suprajohdin ja jokin metalli kohtaavat, ne voivat muodostaa Cooperin parin, joka siirtyy suprajohtimeen ja samalla kimmottaa toisenlaisen hiukkasen takaisin metalliin. Tätä prosessia kutsutaan Andrejevin heijastukseksi. Tutkijat etsivät näitä heijastuksia löytääkseen Cooperin pareja niiden kautta. Cooperin parien kokeellinen havaitseminen atomitasolla antaa tutkijoiden nähdä miten parien aaltofunktiot uudelleenrakentuvat atomitasolla ja miten ne reagoivat epäpuhtauksiin ja muihin esteisiin.

Tutkijat mittasivat atomisen terävän metallikärjen ja suprajohtimen välisen sähkövirran, sekä sen, miten riippuvainen virta oli kärjen ja johtimen etäisyydestä. Näin he säilyttivät atomitason kuvantamisresoluution ja pystyivät silti havaitsemaan suprajohtimeen takaisin kimpoavan Andrejev-heijastuksen määrän. Professori Ladon teoreettinen malli ennusti kokeen tuloksen täysin.

“Tämä tekniikka antaa meille erittäin tärkeän uuden tavan ymmärtää epätavallisten suprajohtimien sisäistä kvanttirakennetta. Se voi auttaa meitä monissa kvanttimateriaaleihin liittyvissä avoimissa kysymyksissä”, Lado sanoo. Epätavalliset suprajohtimet ovat mahdollisia kvanttitietokoneiden rakennuspalasia, ja voivat mahdollistaa huoneenlämmössä tapahtuvan suprajohtamisen. Huoneenlämpöinen suprajohdin olisi merkittävä läpimurto, sillä sen myötä johtimien käyttö helpottuisi ja kustannukset laskisivat huomattavasti.

Cooperin pareilla on uniikkeja sisäisiä rakenteita, jotka ovat tähän asti olleet haastavia ymmärtää. Löydön myötä tutkijat voivat nyt tarkastella Cooperin pareja suoraan ja suuremmassa mittakaavassa kuin ennen. Se on tärkeä askel kohti uusia kvanttiteknologioita.

Linkki julkaisuun:

Noncontact Andreev Reflection as a Direct Probe of Superconductivity on the Atomic Scale
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.2c00697

Lisätietoja:

Jose Lado
Professori
+358503133730
jose.lado@aalto.fi