超导设备中发现量子力学分子

RIKEN的物理学家已经在超导电路中创建了类似于分子的电子态，有望用于未来的量子计算机。超导体(对电子流动不产生电阻的材料)在电子电路中最明显的优点是它们不会产生任何浪费的热量，这限制了传统电路的能源效率。

但他们还有另一大优势。超导性是由于电子之间的量子力学相互作用而产生的。这些奇特的效果可以在设备中利用，为它们提供传统设备所不具备的广泛功能。

现在，理化学研究所新兴物质科学中心的松尾定成及其同事研究了这种效应。它被称为安德烈夫分子，可用于未来量子计算机中的量子信息技术。该论文发表在《自然通讯》杂志上。

超导电路的基本组成部分是约瑟夫森结：一种通过将普通材料夹在两个超导体之间制成的装置，可以控制超电流的流动。

当普通材料与超导体接触时，普通材料中的电子被反射为空穴，并且在超导体中产生一对电子。这种反射在约瑟夫森结的普通材料中形成束缚态，即所谓的安德烈夫束缚态。

如果两个约瑟夫森结足够近，它们可以通过相互连接形成安德烈夫分子。松尾和他的同事专注于共享一个短超导电极的两个约瑟夫森结。在该结构中，不同结点中的安德烈夫束缚态有望通过共享电极相互连接。

“当这些安德烈夫分子存在时，一个约瑟夫森结可以控制另一个约瑟夫森结，”松尾解释道。“然后出现了奇异且有用的超导输运现象，例如约瑟夫森二极管效应，这种效应可能会导致超导电路中耗散较少的整流器。”

松尾和他的同事用一层薄薄的砷化铟制作了两个约瑟夫森结。然后，他们通过一个共享的铝制超导电极将它们耦合在一起，该电极在非常低的温度下具有超导性。

该团队通过测量不同施加电压和磁场强度下结点的隧道电流来研究这种结构的电子特性，这种技术称为隧道光谱。这使他们能够观察与安德烈夫分子相对应的约瑟夫森结中的能级。

“研究人员此前曾报告过不同器件结构中Andreev分子的光谱特征，”Matsuo说。“但我们现在成功地在耦合的约瑟夫森结中观察到它们，并首次证明了它们的可控性。

“我们的工作提供了有关安德烈夫分子的基本信息。它将为未来在耦合约瑟夫森结中设计奇异的超导输运现象铺平道路。”

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