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物理学家通过超导体传递旋转信息

2019-05-14 11:26:41   来源:

来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员发现了一种可以为量子超导装置奠定基础的发现。他们的突破解决了量子计算面临的主要挑战:如何通过超导材料传输自旋信息。

每个电子设备 - 从超级计算机到洗碗机 - 通过控制带电电子的流动来工作。但是电子可以携带比充电更多的信息;电子也会旋转,就像轴上的陀螺仪一样。

利用电子自旋对于量子信息处理来说真的是令人兴奋的,因为不仅电子可以向上或向下旋转 - 一个或零 - 但它也可以在两个极点之间旋转任何方向。因为它遵循量子力学的规则,所以电子可以同时占据所有这些位置。想象一下可以同时计算所有这些位置的计算机的强大功能。

应用物理学的整个领域,称为自旋电子学,专注于如何利用和测量电子自旋并构建电子门和电路的自旋等效物。

通过使用超导材料,电子可以在没有任何能量损失的情况下移动,物理学家希望建立需要更少功率的量子器件。

但是有一个问题。

根据超导的基本特性,超导体不能传递自旋。通过超导体的任何电子对将具有零的组合自旋。

在最近发表在“自然物理学”杂志上的研究中,哈佛研究人员发现了一种通过超导材料传输自旋信息的方法。

“我们现在有办法控制简单超导装置中传输电子的自旋,”SEAS物理和应用物理学教授,该论文的高级作者Amir Yacoby说。

很容易将超导体视为粒子超高速公路,但更好的类比将是超级拼车车道,因为只有成对电子才能在没有阻力的情况下穿过超导体。

这些对称为Cooper Pairs,它们以非常特殊的方式相互作用。如果它们相对于彼此的运动方式(物理学家称之为动量)是对称的,则该对的旋转必须是不对称的 - 例如,对于零的组合旋转,一个为负,一个为正。当他们穿过传统的超导体时,Cooper Pairs的动量必须为零,并且它们的轨道完全对称。

但如果你可以将动量改变为不对称 - 向一个方向倾斜 - 则旋转可以是对称的。要做到这一点,你需要一些奇异的(也就是奇怪的)物理学的帮助。

超导材料可以简单地通过非常接近而使非超导材料具有其导电能力。利用这一原理,研究人员建造了一个超导三明治,外部有超导体,中间有碲化汞。碲化汞中的原子非常重,电子移动得如此之快,以至于相对性规则开始应用。

“由于原子太重,你的电子会占据高速轨道,”该研究的合着者和SEAS的研究生Hechen Ren说。“当一个电子快速移动时,它的电场变成一个磁场,然后与电子的自旋耦合。这个磁场作用于自旋并使一次旋转的能量高于另一个。”

因此,当Cooper Pairs击中这种材料时,它们的旋转开始旋转。

“Cooper Pairs跳入水银碲化合物,他们看到了这种强烈的旋转轨道效应并开始以不同的方式结合,”Ren说。“零动量和零联合旋转的同质品种仍然存在,但现在还有一对增加动量的对,打破了轨道的对称性。最重要的部分是旋转现在可以自由地除了零。“

当电子波穿过材料时,团队可以在不同点测量自旋。通过使用外部磁铁,研究人员可以调整对的总旋转。

“这一发现为存储量子信息开辟了新的可能性。利用这一发现背后的基础物理学,为探索新型量子材料中超导性的潜在本质提供了新的可能性,”Yacoby说。

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