Parity-dependent coupling of molecular spin chains to a superconductor

In de microscopische wereld van de kwantumfysica gedragen deeltjes zich soms alsof ze deel uitmaken van een groter, collectief geheel in plaats van onafhankelijke individuen. Wanneer dit gebeurt in bepaalde materialen, kunnen de fundamentele regels van het universum schijnbaar veranderen, waardoor deeltjes zich kunnen splitsen in kleinere, fractionele stukjes die slechts een fractie van hun gebruikelijke eigenschappen dragen. Dit fenomeen, bekend als fractionalisering, is een kenmerk van exotische toestanden van materie waar sterke interacties tussen deeltjes nieuwe, onverwachte gedragingen creëren. Een van de meest fascinerende voorbeelden vindt plaats in eendimensionale ketens van magnetische atomen. In deze ketens lijnen de magnetische spins van de atomen zich uit in een specifbool patroon dat de uiteinden van de keten beschermt, waardoor deze een uniek, fractioneel magnetisch karakter krijgen dat in het midden van de keten niet bestaat. Wetenschappers vroegen zich lang af wat er zou gebeuren als ze deze fragiele, fractionele randtoestanden in contact zouden brengen met een supergeleider — een materiaal dat elektriciteit geleidt met nul weerstand en magnetische velden uitstoot. De vraag was of de supergeleider deze delicate kwantumtoestanden zou vernietigen of dat ze zouden kunnen coëxisteren, wat potentieel de basis zou kunnen vormen voor nieuwe soorten kwantumcomputers.

Een team onderzoekers heeft nu antwoord gegeven op deze vraag door minuscule moleculaire ketens op een speciaal oppervlak te bouwen en te observeren hoe ze interageren met een supergeleider. Ze creëerden ketens gemaakt van driehoekige koolstofmoleculen, bekend als trianguleen, die fungeren als een snoer van magnetische kralen. Wanneer de ketens kort zijn, interageren de magnetische eigenschappen aan de twee uiteinden van de keten met elkaar. Als de keten een oneven aantal van deze driehoekige eenheden heeft, gedragen de twee uiteinden zich als één enkel magnetisch object met een netto spin. Als de keten een even aantal eenheden heeft, heffen de twee uiteinden elkaar op, wat resulteert in een niet-magnetische toestand. De onderzoekers plaatsten deze ketens op een dunne goudfilm die bovenop een supergeleidend metaal genaamd niobium lag. Deze opstelling zorgde ervoor dat de goudfilm zelf supergeleidend werd, waardoor een "geproximitiseerde" omgeving ontstond waarin de supergeleidende eigenschappen in het goud sijpelden zonder de delicate chemische structuur van de koolstofketens te vernietigen.

Met behulp van een uiterst gevoelige microscoop die de stroom van elektriciteit op atomaire schaal kan meten, observeerde het team een opvallend verschil afhankelijk van de lengte van de keten. Wanneer ze naar ketens met een oneven aantal driehoekige eenheden keken, vonden ze duidelijke tekenen dat de magnetische uiteinden met de supergeleider communiceerden. De microscoop detecteerde specifieke energiepieken binnen de supergeleidende kloof, het bereik van energie waar elektriciteit gewoonlijk niet kan stromen. Deze pieken, bekend als Yu-Shiba-Rusinov-toestanden, zijn een signatuur dat een magnetisch moment direct op de supergeleider zit en een gelokaliseerde verstoring veroorzaakt. Dit bevestigde dat de fractionele spin aan het uiteinde van de keten met een oneven lengte actief bleef en gekoppeld was aan de supergeleidende elektronen.

In contrast hiermee vertelden de ketens met een even aantal eenheden een ander verhaal. Omdat de twee uiteinden van deze ketens elkaar hadden opgeheven om een niet-magnetische toestand te vormen, creëerden zij geen speciale energietoepieken binnen de supergeleidende kloof. De supergeleider bleef onverstoord door de keten, alsof hij deze negeerde. De onderzoekers zagen echter wel tekenen van interactie net buiten de supergeleidende kloof, waar de energie die nodig is om de magnetische toestand van de keten om te keren zichtbaar was. Dit bewees dat de twee uiteinden nog steeds met elkaar interageerden, maar dat hun gecombineerde niet-magnetische natuur hen effectief ontkoppelde van de supergeleider zelf.

De onderzoekers ontdekten ook dat de sterkte van de interactie tussen de twee uiteinden van de keten veranderde naarmate de ketens langer werden. In kortere ketens waren de uiteinden dicht genoeg bij elkaar om elkaar sterk te voelen, wat bepaalde of de keten als een magnetisch of een niet-magnetisch object fungeerde. Naarmate de ketens langer werden, verzwakte deze interactie en begonnen de uiteinden zich meer als onafhankelijke deeltjes te gedragen. Het team gebruikte een theoretisch model om dit gedrag te verklaren, waarbij ze lieten zien dat de alternerende magnetische toestanden van de ketens de sleutelfactor waren. Ze ontdekten dat de magnetische grondtoestand van de keten, of het nu een enkele magnetische eenheid of een opgeheven paar was, bepaalde hoe deze zou koppelen aan de supergeleider.

Dit werk demonstreert dat de topologische bescherming van deze fractionele spintoestanden robuust genoeg is om te overleven in een supergeleidende omgeving. Het vermogen om het magnetische gedrag van de keten te veranderen door simpelweg een eenheid toe te voegen of te verwijderen, en om deze toestand uit te lezen via de interactie met een supergeleider, biedt een nieuwe manier om kwantuminformatie op moleculaire schaal te controleren. De studie suggereert dat koolstofgebaseerde moleculaire architecturen als bouwstenen kunnen dienen voor hybride kwantumapparaten, waarbij de stabiliteit van topologische toestanden samenkomt met de kracht van supergeleiding. Door te bewijzen dat deze exotische kwantumtoestanden kunnen worden geëngineerd en gecontroleerd op een supergeleidend oppervlak, hebben de onderzoekers een pad geopend naar het creëren van stabielere en complexere kwantumsystemen voor toekomstige technologieën.