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

Symmetrie is de verborgen grammatica van de fysieke wereld, een reeks regels die bepaalt hoe materie zich gedraagt en hoe energie beweegt. In het domein van de kwantumfysica, waar deeltjes meer als golven dan als solide objecten fungeren, zijn deze regels vooral strikt. Wetenschappers zoeken vaak naar manieren om deze symmetrieën te breken om nieuwe toestanden van materie te creëren of om apparaten te bouwen die op ongebruikelijke manieren functioneren. Een van de meest fascinerende onderzoeksgebieden heeft betrekking op supergeleiders, materialen die elektriciteit geleiden met nul weerstand. Wanneer twee supergeleiders worden gescheiden door een dunne barrière, kunnen ze nog steeds met elkaar "praten", waardoor er een stroom door de opening kan vloeien zonder een batterij. Deze stroom, bekend als een superstroom, is ongelooflijk gevoelig voor magnetische velden. Door een magnetisch veld toe te passen, kunnen onderzoekers deze stroom met zichzelf laten interfereren, waardoor een patroon van pieken en dalen ontstaat, vergelijkbaar met de rimpelingen die ontstaan wanneer er twee stenen in een vijver worden gegooid. Het begrijpen van hoe men deze patronen kan controleren, stelt wetenschappers in staat om kwantumapparaten te ontwerpen met specifieke, nuttige eigenschappen.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier gedemonstreerd om deze interferentiepatronen aan en uit te schakelen, en om hun vorm te veranderen, simpelweg door een magnetisch veld te roteren. Bij het werken met een apparaat gemaakt van een dun laagje van een materiaal genaamd platina-telluride, gesandwicht tussen twee supergeleidende elektroden, ontdekten zij dat de richting van het magnetische veld ten opzichte van de elektrische stroom fungeert als een hoofdschakelaar. Wanneer het magnetische veld in een specifieke richting wordt aangelegd, wordt het interferentiepatroon asymmetrisch, waarbij één kant van het rimpelpatroon veel groter is dan de andere. Echter, als zij het veld negentig graden draaien, springt het patroon terug naar een perfecte, symmetrische vorm, zelfs als het magnetische veld nog steeds sterk is. Dit vermogen om te schakelen tussen een gebroken symmetrie en een herstelde een biedt een nieuwe manier om kwantumtransport te controleren, waarbij de geometrie van het magnetische veld wordt omgezet in een instrument voor het herconfigureren van het gedrag van het apparaat.

Het experiment vond plaats in een laboratorium dat is gekoeld tot een temperatuur net boven het absolute nulpunt, ongeveer 50 millikelvin, om ervoor te zorgen dat de delicate kwantumeffecten zichtbaar bleven. De onderzoekers bouwden hun apparaat met behulp van een laagje platina-telluride dat tussen de 20 en 40 nanometer dik was. Ze bevestigden supergeleidende elektrodes van niobium-titanium aan beide zijden van het laagje, waardoor een junctie ontstond waar de superstroom doorheen kon vloeien. Om het systeem te onderzoeken, brachten ze een magnetisch veld aan dat uit twee componenten bestond: één die recht omhoog door het apparaat wees en een andere die vlak binnen het vlak van het materiaal lag. Door de hoek van dit in-plane magnetische veld ten opzichte van de richting van de stroom te veranderen, konden ze zien hoe het interferentiepatroon evolueerde.

Wanneer er geen vlak magnetisch veld aanwezig was, gedroeg het apparaat zich zoals verwacht en produceerde het een klassiek, symmetrisch patroon dat bekend staat als een Fraunhofer-patroon. Dit patroon kenmerkt zich door een grote centrale piek met kleinere, gelijkmatig verdeelde pieken aan weerszijden, wat aangeeft dat de superstroom uniform over de junctie stroomde. Maar op het moment dat ze een vlak magnetisch veld parallel aan de stroom introduceerden, verdween de symmetrie. Het patroon raakte zwaar vervormd, waarbij de pieken aan één kant van het centrale maximum krompen terwijl de pieken aan de andere kant groeiden. Deze asymmetrie was zo uitgesproken dat het leek alsof een spiegelbeeld van zichzelf was omgedraaid. De onderzoekers ontdekten dat dit effect niet willekeurig was; het hing volledig af van de hoek tussen de stroom en het magnetische veld. Wanneer het veld parallel aan de stroom liep, was de vervorming het grootst. Wanneer zij het veld roteerden om loodrecht op de stroom te staan, keerde het patroon onmiddellijk terug naar zijn oorspronkelijke, symmetrische staat.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, ontwikkelde het team een microscopisch model van wat er in het apparaat plaatsvond. Ze realiseerden zich dat de supergeleidende elektrodes niet slechts passieve wanden waren; ze vormden de magnetische veldlijnen die door hen heen passeren actief om. Vanwege een eigenschap genaamd het Meissner-effect, dat ervoor zorgt dat supergeleiders magnetische velden uitstoten, werden de vlakke magnetische veldlijnen gedwongen te buigen wanneer ze de randen van de elektrodes naderden. Deze buiging creëerde kleine, gelokaliseerde regio's waar het magnetische veld op de ene plek omhoog wees en op de andere plek omlaag, waardoor er effectief een magnetisch dipool ontstond, precies op de interface tussen de supergeleider en het normale materiaal.

Deze kleine magnetische dipolen werkten als onzichtbare handen die de paden waarover de elektronen door de junctie stromen, duwen en trekken. In een perfect, foutloos materiaal zouden deze duwen elkaar opheffen. Echter, echte materialen bevatten altijd enige wanorde—kleine imperfecties in de atomaire structuur die elektronen verstrooien. Vanwege deze wanorde namen de elektronen verschillende, kronkelende paden door de junctie. Sommige paden bemonsterden het "opwaartse" deel van de magnetische dipool, terwijl andere het "neerwaartse" deel bemonsterden. Wanneer de onderzoekers de richting van het hoofdmagnetische veld omdraaiden, ervoeren de elektronen op deze verschillende paden een andere netto duw, waardoor het interferentiepatroon verschoof en asymmetrisch werd. De sterkte van dit effect hing af van de oriëntatie van het vlakke magnetische veld. Wanneer het veld parallel aan de stroom liep, werd de buiging van de veldlijnen gemaximaliseerd, wat sterke dipolen creëerde die het interferentiepatroon verstoorden. Wanneer het veld loodrecht stond, werd de buiging geminimaliseerd, de dipolen verdwenen en de symmetrie werd hersteld.

De onderzoekers waren zorgvuldig om andere mogelijke verklaringen uit te sluiten. Ze overwogen of het materiaal zelf een intrinsieke eigenschap had die één richting boven de andere bevoordeelde, maar hun experimenten toonden aan dat het effect meedraaide met het apparaat, en niet met de kristalstructuur van het materiaal. Ze testten het apparaat ook met verschillende lengtes en oriëntaties, en het gedrag bleef consistent, wat bevestigde dat het fenomeen werd gedreven door de geometrie van het veld en de stroom, en niet door een specifieke fout in het monster. Bovendien gebruikten ze computersimulaties om het systeem te modelleren, waarbij ze de effecten van wanorde en magnetische veldfocussering incorporeerden. Deze simulaties reproduceerden de experimentele resultaten perfect, waarmee werd aangetoond dat het samenspel tussen de gebogen magnetische veldlijnen en de gedesoriënteerde paden van de elektronen inderdaad de oorzaak was.

Deze ontdekking vestigt een nieuw type controleerbaar kwantumapparaat. Door simpelweg een magnetisch veld te roteren, kunnen wetenschappers nu een supergeleidende junctie schakelen tussen een toestand waarin de symmetrie is gebroken en een toestand waarin de symmetrie is hersteld. Dit is niet slechts een theoretische curiositeit; het biedt een praktische methode voor het manipuleren van de symmetrie van kwantumtransport. Het vermogen om te selecteren welke symmetrie-operatie wordt geprobeerd door de geometrie van het veld en de stroom te veranderen, opent de deur naar nieuwe soorten sensoren en schakelaars. Bijvoorbeeld, het apparaat zou gebruikt kunnen worden om de oriëntatie van een magnetisch veld met hoge precisie te detecteren of om de paden in kaart te brengen die superstromen door een materiaal nemen. Het werk benadrukt hoe wanorde, vaak gezien als een overlast in kwantumsystemen, kan worden ingezet als een kenmerk wanneer het gecombineerd wordt met de juiste magnetische omgeving.

De bevindingen suggereren dat het gedrag van deze apparaten wordt beheerst door een delicaat evenwicht tussen het vermogen van het magnetische veld om flux te focussen en de willekeurige aard van de interne structuur van het materiaal. De onderzoekers merkten op dat dit effect standhoudt tot magnetische veldsterktes van ongeveer 70 millitesla, een bereik dat aanzienlijk is voor dergelijke delicate kwantumverschijnselen. De herstelling van de symmetrie bij de loodrechte hoek is bijzonder robuust en blijft standhouden, zelfs naarmale de veldsterkte toeneemt. Dit suggereert dat het mechanisme stabiel en betrouwbaar is, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor toekomstige toepassingen in kwantumtechnologie.

In de bredere context van de natuurkunde draagt dit werk bij aan het groeiende begrip van hoe men kwantumtoestanden kan manipuleren met externe velden. Het demonstreert dat symmetrie niet alleen een vaste eigenschap van een materiaal is, maar een dynamische vrijheidsgraad die in real-time kan worden afgesteld. De onderzoekers hebben aangetoond dat men, door de relatieve oriëntatie van de stroom en het magnetische veld te controleren, effectief de regels van interferentie voor supergeleidende elektronen kan schrijven en wissen. Dit niveau van controle is een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar het bouwen van meer geavanceerde kwantumcircuits, waarbij het vermogen om het gedrag van een apparaat on-the-fly te herconfigureren essentieel is. De studie biedt een duidelijk, experimenteel geverifieerd pad naar het bereiken hiervan, geworteld in de fundamentele fysica van hoe magnetische velden interageren met supergeleiders en gedesoriënteerde materialen.