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超导技术的突破:首次展示成对电子之间的自旋关联性

时间:2022-11-25 21:25:48 | 浏览:581

物理学家首次通过实验证明,来自超导体的一对纠缠的电子的两个自旋之间存在着负相关。在他们的研究中,研究人员使用了由纳米磁体和量子点制成的自旋过滤器。量子物理学中的一些现象,如两个粒子之间的纠缠,很难与日常经验相协调。如果纠缠在一起,两个粒子的

物理学家首次通过实验证明,来自超导体的一对纠缠的电子的两个自旋之间存在着负相关。在他们的研究中,研究人员使用了由纳米磁体和量子点制成的自旋过滤器。量子物理学中的一些现象,如两个粒子之间的纠缠,很难与日常经验相协调。如果纠缠在一起,两个粒子的某些属性就会紧密相连,即使相距很远。

这种奇怪的行为是阿尔伯特-爱因斯坦将纠缠描述为"远距离的幽灵行动"的原因。虽然它很奇怪,但它是一个重要的现象。事实上,关于光粒子(光子)之间的纠缠的研究还被授予今年的诺贝尔物理学奖。

两个电子也可以纠缠在一起--例如在它们的自旋上。在超导体中,电子形成所谓的库珀对,负责产生无损的电流,其中的各个自旋是纠缠在一起的。

几年来,瑞士纳米科学研究所和巴塞尔大学物理系的研究人员已经能够从超导体中提取电子对,并在空间上分离这两个电子。这是通过两个量子点--平行连接的纳米电子结构实现的,每个量子点只允许单一电子通过。

电子离开(传统)超导体(S)时只能是成对的,而且只能有相反的自旋(箭头向上或向下,红色或蓝色)。如果两个电子的路径都被平行自旋过滤器(这里为自旋向下(蓝色))阻断,原则上自旋向上(红色)的单个电子可以出去,但来自超导体的成对电子被阻断,这在理想情况下会抑制两种电流。资料来源:巴塞尔大学物理系,Scixel

Christian Schönenberger教授和Andreas Baumgartner博士的团队与来自Istituto Nanoscienz-CNR和比萨Scuola Normale Superiore的Lucia Sorba教授领导的研究人员合作,现在已经能够在实验中早已被预期的理论:来自超导体的电子总是以一对相反的自旋出现。他们今天(11月23日)在科学杂志《自然》上报告了他们的发现。

使用一个创新的实验装置,物理学家们能够测量出当一个电子的自旋向下时,另一个电子的自旋是向上的,反之亦然。项目负责人安德烈亚斯-鲍姆加特纳解释说:"我们因此在实验中证明了成对电子的自旋之间的负相关关系。"

研究人员通过使用他们在实验室中开发的自旋过滤器实现了这一点。利用微小的磁铁,他们在两个量子点中的每一个产生了单独可调的磁场,将库珀对电子分开。由于自旋也决定了电子的磁矩,所以每次只允许一种特定类型的自旋通过。

与平行自旋过滤器相反,对于反平行自旋过滤器,电子对被允许离开超导体,这可以被检测为在两个路径上的电流明显增强。资料来源:巴塞尔大学物理系,Scixel

"我们可以调整这两个量子点,以便主要让具有某种自旋的电子通过它们,"第一作者Arunav Bordoloi博士解释说。"例如,自旋向上的电子通过一个量子点,自旋向下的电子通过另一个量子点,或者反之亦然。如果两个量子点都被设定为只通过相同的自旋,那么两个量子点中的电流就会减少,尽管单个电子很可能通过一个量子点。"

"通过这种方法,我们能够首次从超导体中检测到电子自旋之间的这种负相关关系,"Andreas Baumgartner总结道。"我们的实验是第一步,但还不是电子自旋纠缠的明确证明,因为我们不能任意设置自旋过滤器的方向,但我们正在努力。"

这项研究最近发表在《自然》杂志上,被认为是朝着进一步实验调查量子力学现象迈出的重要一步,例如固体中粒子的纠缠,这也是量子计算机的一个关键组成部分。

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