Kvanteforskere studerer snedig sammenkobling af superledning og ferromagnetisme

Den særlige YSR-tilstand kan bl.a. opnås, når man kobler en superleder (SC) til et kvantepunkt (QD). Denne illustration refererer til den konkrete forskning nævnt sidst i denne artikel. Illustration: BME Physics

Superledere og magnetiske materialer er af interesse inden for en lang række faststofelektroniske komponenter, herunder til kvantecomputere.

Det er et område, der forskes i på flere danske universiteter, og et par nye artikler viser nu, hvordan man kan opnå langtrækkende såkaldte Yu-Shiba-Rusinov (YSR)-tilstande i superledere koblet til magnetiske områder.

Dermed er der åbnet en mulighed for at udnytte YSR-tilstande til topologiske kvantebit, der er godt beskyttet mod støj og derfor velegnet til brug i kvantecomputere.

Som vi har skrevet mange artikler om gennem årene, forfølger Microsoft ideen om at bygge en topologisk kvantecomputer bl.a. i samarbejde med forskerne på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Teori for 1960'erne

Allerede i 1960’erne blev Yu-Shiba-Rusinov bånd eller tilstande teoretisk forudsagt uafhængigt af hinanden af de tre forskere, som nu har lagt navn til fænomenet. Eksperimentelle studier kom langt senere.

Superledning og ferromagnetisme, hvor der er en permanent magnetisme i et materiale, er to egenskaber, der ikke kan sameksistere under normale forhold.

Når en superleder placeres i et magnetisk felt, vil den nemlig via Meissner-effekten skubbe magnetfeltet ud af superlederen. En ferromagnet har et magnetisk felt i sit indre, og derfor kan et materiale under normale omstændigheder ikke både være en superleder og ferromagnetisk.

Men kobler man en superleder til et magnetisk materiale, kan man dog opnå en situation, hvor de to fænomener i visse tilfælde kan sameksistere og danne de særlige YSR-tilstande.

Problemet har blot været, at disse YSR-tilstande hidtil har haft meget kort rækkevidde – nogle få nanometer – og så kan man ikke udnytte dem særlig godt til for eksempelvis kvantecomputere.

Gufei Zhang fra Mads Clausen Instituttet ved Syddansk Universitet i Sønderborg interesserede sig allerede for superledende ferromagntisek nanodiamanter i 2017, da han var tilknyttet et universitet i Belgien.

Læs også: Diamanter – elektronikkens nye bedste ven

I en ny artikel i Science Advances har Gufei Zhang sammen med en lang række andre forskere set nærmere på YSR-båndene i dette materiale. Meget kort fortalt har han nu opnået YSR-bånd med en rækkevidde på tocifrede nanometer.

Som han selv forklarer det, bliver det dermed muligt at koble kvantefænomener med nanoelektronik, som er hjørnestenen i enhver form for kvanteelektronik.

Materialet, han producerer og studerer, består af små diamantkrystaller doteret med bor, hvor hydrogenatomer binder sig til overfladen. Der er tale om et 3D-materiale, som er superledende under 2,7 kelvin og koblet til 2D-magnetiske ‘urenheder’ på overfladen, som er ferromagnetiske op til 400 kelvin.

Læs også: Danske fysikere udnytter superposition-trick til at spotte kræft

Det er denne kobling, der giver anledning til de særlige YSR-tilstande med forholdsvis lang rækkevidde.

På den måde kan man realisere ‘ikke-konventionelle topologisk superledende faser’, som Gufei Zhang og de øvrige forskere formulerer det afslutningsvis i deres videnskabelige artikel.

På KU har forskere studeret YSR i mange år

På Center for Quantum Devices på Københavns Universitet, som samarbejder med bl.a. Microsoft, har man også gennem mange år interesseret sig for YSR-tilstande.

I en artikel i Nature Communications i april har den danske forskergruppe også set opnået langtrækkende YSR-tilstande i samarbejde med udenlanske forskegrupper.

Det er sket på anden vis end den måde, det er lykkedes for Gufei Zhang, ved at sammenkoble en superleder med et kvantepunkt, som det er illustrereret i toppen af denne artikel.

Tilsammen illustrerer disse artikler, at samspil mellem superledning og magnetisme gennem fænomenet med det noget besværlige navn har stor forskningsmæssig bevågenhed i disse år, og at det muligvis kan føre til anvendelser, som hverken Yu, Shiba eller Rusinov kunne forestille sig for mere end 50 år siden.