Ученые научились измерять хрупкие квантовые состояния на расстоянии

Гибридные материалы из магнитов и сверхпроводников порождают удивительные квантовые явления, которые настолько чувствительны, что их измерение требует минимального вмешательства. Исследователям из Гамбургского университета и Иллинойсского университета в Чикаго впервые удалось экспериментально и теоретически продемонстрировать, как эти квантовые явления можно обнаруживать и контролировать на значительном расстоянии с помощью специальных методик сканирующего туннельного микроскопа.

Собственные YSR-состояния атома железа. Автор: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03109-y

Результаты их работы, которые могут иметь важное значение для создания топологических квантовых компьютеров, были опубликованы в журнале Nature Physics.

Когда магнитный атом находится в сверхпроводнике, возникают так называемые квазичастицы Ю-Шибы-Русинова. Обычно их можно измерить с высокой вероятностью обнаружения только непосредственно в месте нахождения атома с помощью острия сканирующего туннельного микроскопа.

Команде под руководством доктора Йенса Вибе из Института физики наноструктур и твердого тела Гамбургского университета и Иллинойсского университета в Чикаго удалось измерить это квантовое состояние на расстояниях, более чем в 20 раз превышающих его первоначальный размер, тем самым минимизировав помехи, создаваемые измерительным зондом.

Создание и использование квантовых загонов

Исследователи заключили магнитный атом внутрь «загона», построенного с помощью острия сканирующего туннельного микроскопа из 91 атома серебра на поверхности сверхпроводящего серебряного кристалла. Они точно рассчитали размеры этого квантового загона так, чтобы одно из квантовых состояний электронов серебра, ограниченных внутри него, находилось точно на энергии Ферми.

Магнитный атом был расположен в крайней левой пучности квантового загона (внизу). Красный цвет на изображении сканирующей туннельной спектроскопии (в центре) указывает на высокую вероятность нахождения квазичастицы справа, что подтверждено моделированием (вверху). Автор: UHH/Wiebe.

Для загона, показанного на изображении выше, это было состояние с четырьмя пучностями. Исследователи разместили магнитный атом на крайней левой пучности и определили пространственное распределение дифференциальной проводимости при энергии квазичастицы Ю-Шибы-Русинова как меру ее локальной плотности вероятности.

Результаты и будущее применение

«Примечательно, что квазичастицу Ю-Шибы-Русинова можно было обнаружить даже в крайней правой «петле» состояния загона — точке, наиболее удаленной от магнитного атома, без заметного уменьшения вероятности ее появления с увеличением расстояния от атома», — говорит Вибе, который является исследователем в кластере передового опыта «CUI: Advanced Imaging of Matter».

Исследователи наблюдали тот же эффект в симуляциях с использованием модели сильной связи. Сравнение с измерениями показало, что наблюдаемое явление представляет собой пространственно когерентное квантовое состояние, состоящее из куперовских пар как в объеме, так и на поверхности серебряного кристалла. Более того, команда продемонстрировала, что квантовый состав этой проекции Ю-Шибы-Русинова — ее содержание частиц и дырок — можно манипулировать, регулируя размер и форму квантового загона.

Эта методика позволяет измерять хрупкие квантовые состояния магнитных сверхпроводящих гибридов с помощью локального зонда, одновременно минимизируя разрушающее влияние самого зонда. Исследователи теперь намерены применить эту технику к майорановским квазичастицам в будущем, поскольку они обладают большим потенциалом для разработки новых топологических квантовых компьютеров. Кроме того, квантовые загоны потенциально можно использовать для управления взаимодействиями между квазичастицами в нескольких магнитных сверхпроводящих гибридах.

Больше информации: Khai That Ton et al, Non-local detection of coherent Yu–Shiba–Rusinov quantum projections, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03109-y

Источник: University of Hamburg