Field-controlled breaking and restoration of parity-time symmetry in Josephson interference

Symmetrie ist die verborgene Grammatik der physikalischen Welt, ein Satz von Regeln, die bestimmen, wie Materie sich verhält und wie Energie fließt. Im Bereich der Quantenphysik, in dem Teilchen eher wie Wellen als wie feste Objekte agieren, sind diese Regeln besonders streng. Wissenschaftler suchen oft nach Wegen, diese Symmetrien zu brechen, um neue Zustände der Materie zu erschaffen oder Geräte zu bauen, die sich auf ungewöhnliche Weise verhalten. Eines der faszinierendsten Forschungsgebiete betrifft Supraleiter, Materialien, die Elektrizität mit null Widerstand leiten. Wenn zwei Supraleiter durch eine dünne Barriere getrennt sind, können sie dennoch miteinander „kommunizieren“, was es ermöglicht, dass ein Strom über die Lücke fließt, ohne eine Batterie zu benötigen. Dieser Fluss, bekannt als Superstrom, reagiert unglaublich empfindlich auf Magnetfelder. Durch das Anlegen eines Magnetfeldes können Forscher diesen Strom dazu bringen, mit sich selbst zu interferieren, wodurch ein Muster aus Spitzen und Tälern entsteht, ähnlich den Wellen, die entstehen, wenn zwei Steine in einen Teich geworfen werden. Das Verständnis darüber, wie man diese Muster kontrolliert, ermöglicht es Wissenschaftlern, Quantengeräte mit spezifischen, nützlichen Eigenschaften zu entwickeln.

Ein Team von Forschern hat nun einen Weg demonstriert, diese Interferenzmuster ein- und auszuschalten und ihre Form zu verändern, indem sie lediglich ein Magnetfeld rotieren. Bei der Arbeit mit einem Gerät, das aus einer dünnen Flocke eines Materials namens Platin-Tellurid besteht, das zwischen zwei supraleitenden Elektroden eingebettet ist, entdeckten sie, dass die Richtung des Magnetfeldes relativ zum elektrischen Strom als Hauptschalter fungiert. Wenn das Magnetfeld in eine bestimmte Richtung angelegt wird, wird das Interferenzmuster asymmetrisch, wobei eine Seite des Wellenmusters viel größer ist als die andere. Wenn sie das Feld jedoch um neunzig Grad drehen, springt das Muster in eine perfekte, symmetrische Form zurück, obwohl das Magnetfeld immer noch stark ist. Diese Fähigkeit, zwischen einer gebrochenen Symmetrie und einer wiederhergestellten Symmetrie hin und her zu schalten, bietet eine neue Möglichkeit, den Quantentransport zu steuern, indem die Geometrie des Magnetfeldes als Werkzeug zur Rekonfiguration des Verhaltens des Geräts genutzt wird.

Das Experiment fand in einem Labor statt, das auf eine Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt, etwa 50 Millikelvin, gekühlt wurde, um sicherzustellen, dass die empfindlichen Quanteneffekte sichtbar bleiben. Die Forscher bauten ihr Gerät unter Verwendung einer Flocke aus Platin-Tellurid, die zwischen 20 und 40 Nanometer dick war. Sie befestigten auf beiden Seiten der Flocke supraleitende Elektroden aus Niob-Titan, wodurch einen Übergang schufen, durch den der Superstrom fließen konnte. Um das System zu untersuchen, legten sie ein Magnetfeld an, das zwei Komponenten hatte: eine, die senkrecht durch das Gerät nach oben zeigte, und eine weitere, die flach innerhalb der Ebene des Materials lag. Durch Ändern des Winkels dieses flachen, in der Ebene liegenden Feldes relativ zur Richtung des Stroms konnten sie beobachten, wie sich das Interferenzmuster entwickelte.

Wenn kein flaches Magnetfeld vorhanden war, verhielt sich das Gerät wie erwartet und erzeugte ein klassisches, symmetrisches Muster, bekannt als Fraunhofer-Muster. Dieses Muster weist einen großen zentralen Peak mit kleineren, gleichmäßig beabstandeten Peaks auf beiden Seiten auf, was darauf hindeutet, dass der Superstrom gleichmäßig über den Übergang floss. Doch in dem Moment, als sie ein flaches Magnetfeld parallel zum Strom einführten, verschwand die Symmetrie. Das Muster wurde stark verzerrt, wobei die Peaks auf einer Seite des zentralen Maximums schrumpften, während die Peaks auf der anderen Seite wuchsen. Diese Asymmetrie war so ausgeprägt, dass es aussah, als wäre sein eigenes Spiegelbild umgedreht worden. Die Forscher fanden heraus, dass dieser Effekt nicht zufällig war; er hing vollständig vom Winkel zwischen dem Strom und dem Magnetfeld ab. Als das Feld parallel zum Strom verlief, war die Verzerrung am stärksten. Als sie das Feld drehten, sodass es senkrecht zum Strom stand, kehrte das Muster sofort in seinen ursprünglichen, symmetrischen Zustand zurück.

Um zu verstehen, warum dies geschah, entwickelte das Team ein mikroskopisches Modell dessen, was im Inneren des Geräts vorging. Sie erkannten, dass die supraleitenden Elektroden nicht nur passive Wände waren; sie formten die Magnetfeldlinien, die durch sie hindurchgingen, aktiv um. Aufgrund einer Eigenschaft namens Meißner-Effekt, die bewirkt, dass Supraleiter Magnetfelder ausstoßen, wurden die flachen Magnetfeldlinien gezwungen, sich zu krümmen, während sie sich den Kanten der Elektroden näherten. Diese Krümmung erzeugte kleine, lokalisierte Regionen, in denen das Magnetfeld an einer Stelle nach oben und an einer anderen nach unten zeigte, was effektiv ein magnetisches Dipolmoment direkt an der Grenzfläche zwischen dem Supraleiter und dem normalen Material bildete.

Diese winzigen magnetischen Dipole wirkten wie unsichtbare Hände, die die Pfade drückten und zogen, die die Elektronen durch den Übergang nahmen. In einem perfekten, makellosen Material würden diese Druckimpulse sich gegenseitig aufheben. Reale Materialien enthalten jedoch immer Unordnung – winzige Unvollkommenheiten in der Atomstruktur, die Elektronen streuen. Aufgrund dieser Unordnung nahmen die Elektronen unterschiedliche, gewundene Pfade durch den Übergang. Einige Pfade durchliefen den „Aufwärts“-Teil des magnetischen Dipols, während andere den „Abwärts“-Teil durchliefen. Als die Forscher die Richtung des Hauptmagnetfeldes umkehrten, erfuhren die Elektronen auf diesen unterschiedlichen Pfaden einen unterschiedlichen Netto-Druck, was dazu führte, dass das Interferenzmuster sich verschob und asymmetrisch wurde. Die Stärke dieses Effekts hing davon ab, wie das flache Magnetfeld orientiert war. Wenn das Feld parallel zum Strom lag, wurde die Krümmung der Feldlinien maximiert, was starke Dipole erzeugte, die das Interferenzmuster durcheinanderbrachten. Wenn das Feld senkrecht stand, wurde die Krümmung minimiert, die Dipole verschwanden und die Symmetrie wurde wiederhergestellt.

Die Forscher waren sorgfältig dabei, andere mögliche Erklärungen auszuschließen. Sie erwogen, ob das Material selbst eine intrinsische Eigenschaft besitze, die eine bestimmte Richtung bevorzugte, aber ihre Experimente zeigten, dass der Effekt mit dem Gerät rotierte, nicht mit der Kristallstruktur des Materials. Sie testeten das Gerät auch mit unterschiedlichen Längen und Orientierungen, und das Verhalten blieb konsistent, was bestätigte, dass das Phänomen durch die Geometrie des Feldes und des Stroms und nicht durch einen spezifischen Defekt in der Probe angetrieben wurde. Darüber hinaus nutzten sie Computersimulationen, um das System zu modellen, wobei sie die Effekte von Unordnung und der Fokussierung des Magnetfeldes einbezogen. Diese Simulationen reproduzierten die experimentellen Ergebnisse perfekt und zeigten, dass das Zusammenspiel zwischen den gekrümmten Magnetfeldlinien und den ungeordneten Pfaden der Elektronen tatsächlich die Ursache war.

Diese Entdeckung etabliert einen neuen Typus eines steuerbaren Quantengeräts. Durch das einfache Rotieren eines Magnetfeldes können Wissenschaftler nun einen supraleitenden Übergang zwischen einem Zustand, in dem die Symmetrie gebrochen ist, und einem Zustand, in dem sie wiederhergestellt ist, umschalten. Dies ist nicht nur eine theoretische Kuriosität; es bietet eine praktische Methode, um die Symmetrie des Quantentransports zu gestalten. Die Fähigkeit, zu wählen, welche Symmetrieoperation durch Änderung der Feld-Strom-Geometrie untersucht wird, öffnet die Tür zu neuen Arten von Sensoren und Schaltern. Beispielsweise könnte das Gerät verwendet werden, um die Orientierung eines Magnetfeldes mit hoher Präzision zu detektieren oder um die Pfade abzubilden, die Superströme durch ein Material nehmen. Die Arbeit verdeutlicht, wie Unordnung, die oft als Ärgernis in Quantensystemen gesehen wird, als ein Merkmal genutzt werden kann, wenn sie mit der richtigen magnetischen Umgebung kombiniert wird.

Die Ergebnisse legen nahe, dass das Verhalten dieser Geräte durch ein empfindliches Gleichgewicht zwischen der Fähigkeit des Magnetfeldes, den Fluss zu fokussieren, und der zufälligen Natur der internen Struktur des Materials bestimmt wird. Die Forscher merkten an, dass dieser Effekt bis zu Magnetfeldstärken von etwa 70 Millitesla anhält, einem Bereich, der für solch delikate Quantenphänomene beträchtlich ist. Die Wiederherstellung der Symmetrie beim senkrechten Winkel ist besonders robust und bleibt selbst bei steigender Feldstärke bestehen. Dies deutet darauf hin, dass der Mechanismus stabil und zuverlässig ist, was ihn zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige Anwendungen in der Quantentechnologie macht.

Im breiteren Kontext der Physik trägt diese Arbeit zum wachsenden Verständnis darüber bei, wie man Quantenzustände mittels externer Felder manipulieren kann. Sie zeigt, dass Symmetrie nicht nur eine feste Eigenschaft eines Materials ist, sondern ein dynamischer Freiheitsgrad, der in Echtzeit abgestimmt werden kann. Die Forscher haben gezeigt, dass man durch die Kontrolle der relativen Orientierung von Strom und Magnetfeld die Regeln der Interferenz für supraleitende Elektronen effektiv schreiben und wieder löschen kann. Diese Form der Kontrolle ist ein bedeutender Schritt nach vorn bei der Suche nach immer anspruchsvolleren Quantenschaltkreisen, bei denen die Fähigkeit, das Verhalten eines Geräts im laufenden Betrieb umzukonfigurieren, essenziell ist. Die Studie bietet einen klaren, experimentell verifizierten Weg zur Erreichung dessen, der auf der grundlegenden Physik der Wechselwirkung zwischen Magnetfeldern, Supraleitern und ungeordneten Materialien basiert.