Phase engineering of odd parity state in a quantum dot Josephson junction

Supergeleiders zijn materialen die elektriciteit geleiden met een nulweerstand, een eigenschap die hen in staat stelt om stroom te transporteren zonder energie te verliezen aan warmte. In veel geavanceerde experimenten gebruiken wetenschappers deze materialen om minuscule circuits te creëren waar elektronen zich op vreemde, collectieve manieren gedragen. Een van de meest fascinerende gedragingen vindt plaats wanneer een supergeleider wordt verbonden met een quantumdot, een microscopisch eilandje dat zo klein is dat het slechts een paar elektronen kan bevatten. In deze opstelling blijven de elektronen niet alleen maar stilzitten; ze wisselen voortdurend van partner met de supergeleider, waarbij ze speciale energietoestanden vormen die bekend staan als Andreev-gebonden toestanden. Het belangrijkste kenmerk van deze toestanden is een eigenschap genaamd fermionische pariteit, wat simpelweg beschrijft of het totale aantal elektronen in het systeem even of oneven is. Hoewel dit klinkt als een eenvoudig telspelletje, is het beheersen van de vraag of het systeem de voorkeur geeft aan een even of een oneven aantal elektronen een cruciale stap naar het bouwen van nieuwe soorten quantumcomputers en het verkennen van exotische fysica die de manier waarop we informatie verwerken, zou kunnen revolutioneren.

Een team van onderzoekers heeft nu een nieuwe manier gedemonstreerd om deze even-of-oneven toestand te controleren in een quantumdot-Josephson-overgang, een apparaat bestaande uit een quantumdot die wordt ingeklemd tussen twee supergeleidende leads. In plaats van de gebruikelijke methode te gebruiken waarbij elektrische voltages worden aangepast om het elektronenaantal te veranderen, ontdekten de wetenschappers dat ze de pariteit van het systeem simpelweg konden omdraaien door het faseverschil tussen de twee supergeleidende leads te veranderen. In supergeleiders is de fase een eigenschap die gerelateerd is aan de golfachtige natuur van de elektronen, en door een magnetisch veld door de lus gevormd door het apparaat te leiden, konden de onderzoekers deze fase geleidelijk afstemmen. Ze ontdekten dat wanneer het faseverschil een specifiek punt bereikte, de energieniveaus van de elektronen verschoven op een manier die het systeem dwong om over te schakelen van een even grondtoestand naar een oneven grondtoestand. Deze overgang werd gemarkeerd door het feit dat de energieniveaus van de elektronen nul kruisten, een duidelijk signaal dat de fundamentele aard van het apparaat was veranderd.

Om dit fenomeen te observeren, bouwde het team een apparaat met behulp van een dunne laag indiumarsenide, een halfgeleidermateriaal, bedekt met een film van aluminium. Ze gebruikten nauwkeurig etsen en elektrische gates om een piepklein gebied uit te snijden waar een quantumdot tussen twee supergeleidende elektroden kon ontstaan. Door het apparaat af te koelen tot een temperatuur van 50 millikelvin, net boven het absolute nulpunt, zorgden ze ervoor dat thermische ruis de delicate quantumeffecten niet zou verstoren. De onderzoekers maten vervolgens de stroom van elektronen door het apparaat terwijl ze het magnetische veld en de spanning die op de gates werd toegepast varieerden. In hun initiële tests bevestigden ze dat het apparaat functioneerde als een sterk gekoppelde quantumdot, wat betekent dat de elektronen intens interactie hebben met de supergeleidende leads. Toen ze de energieniveaus van de elektronen in kaart brachten, zagen ze de verwachte oscillerende patronen die veranderen naarmate het magnetische veld het faseverschil over de overgang wijzigt.

De cruciale ontdekking kwam toen de onderzoekers de gate-spanning naar een specifieke instelling aanpasten en het magnetische veld opnieuw scanden. Ze observeerden dat bij een faseverschil nabij pi de energieniveaus van de elektronen elkaar kruisten en hun volgorde omdraaiden. Deze inversie is het kenmerk van een pariteitsovergang, wat aangeeft dat de grondtoestand van het systeem was overgeschakeld van even naar oneven. De onderzoekers ontdekten dat deze oneven pariteitstoestand alleen bestond binnen een specifiek bereik van fasewaarden, wat een lusvormig gebied in hun gegevens vormde waar het systeem zich anders gedroeg dan buiten dat bereik. Dit resultaat was significant omdat er in het regime van sterke koppeling, waarbij de quantumdot stevig verbonden is met de supergeleider, eerder door de theorie werd gesuggereerd dat het systeem in een even toestand zou blijven, tenzij een magnetisch veld wordt toegepast om de symmetrie te breken. Echter, door enkel de faseverschillen te gebruiken, lieten de onderzoekers zien dat de oneven toestand bereikt kon worden zonder de symmetrie op de traditionele manier te hoeven breken.

Om precies te begrijpen wat er aan de hand was, vergeleken de onderzoekers hun experimentele gegevens met een theoretisch model dat de quantumdot behandelt als een enkel energieniveau dat interageert met de supergeleiders. Het model voorspelde dat de energie van het systeem afhangt van het faseverschil, en het toonde aan dat de grondtoestand inderdaad zou overschakelen naar een oneven pariteit wanneer de fase dicht bij pi ligt, mits de koppeling tussen de dot en de leads sterk genoeg is. De experimentele gegevens kwamen opmerkelijk goed overeen met deze voorspelling, wat bevestigde dat het faseverschil de drijvende kracht achter de pariteitswissel was. De onderzoekers verkenden ook hoe een extern magnetisch veld dat parallel aan het oppervlak van het apparaat wordt toegepast, deze overgang zou beïnvloeden. Ze vonden dat het toevoegen van dit magnetische veld, dat een Zeeman-energie introduceert die de energieniveaus van elektronen met verschillende spins splitst, het gebied van de oneven pariteit groter maakte. Naarmate het magnetische veld toenam, breidde het bereik van de fasewaarden waarover het systeem in de oneven toestand bleef, zich uit, wat zorgde voor een robuustere controle over de pariteit.

Deze bevindingen suggereren dat arrays van dergelijke quantumdot-Josephson-overgangen kunnen dienen als een krachtig platform voor het ontwerpen van exotische quantumfenomenen. Door het faseverschil over elke overgang te controleren, zouden wetenschappers potentieel een keten van apparaten kunnen creëren die het gedrag van een topologische supergeleider nabootst, een materietoestand die Majorana-nulmodi herbergt. Deze modi zijn van groot belang omdat ze gebruikt kunnen worden om qubits te bouwen die van nature beschermd zijn tegen fouten, een grote hindernis in de ontwikkeling van praktische quantumcomputers. Het vermogen om de pariteit van de grondtoestand te schakelen met behruik van enkel de supergeleidende fase, zonder uitsluitend te vertrouwen op elektrische gates of complexe magnetische opstellingen, biedt een nieuwe vrijheidsgraad voor het ontwerpen van deze circuits. Het werk demonstreert dat zelfs in het regime van sterke koppeling, waar interacties intens en complex zijn, de fundamentele pariteit van het systeem nauwkeurig gemanipuleerd kan worden, wat de deur opent naar het verkennen van nieuwe grenzen in de supergeleidende fysica.