Российские физики указали на ошибку и предложили экспериментальный выход из тупика
Исследователи Института физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН продемонстрировали новый подход к измерению электропроводности в сверхпроводниках.
В рамках научной дискуссии, опубликованной в журнале Nature Physics, российские ученые опровергли интерпретацию эксперимента по измерению электропроводности в структурах «нормальный метал – сверхпроводник – нормальный металл» (NSN), который провели зарубежные коллеги. Российские ученые доказали, что само измерение электропроводности не позволяет определить относительный вклад скрещенного Андреевского отражения (CAR) и упругого котуннелирования (ECT).
Структуры NSN – базовый инструмент современных квантовых технологий. Когда два нормальных контакта присоединены к общему проводнику с наведенной в нем сверхпроводимостью (коллективное явление, позволяющее некоторым материалам проводить электрический ток без затухания), ток между ними переносится с помощью двух конкурирующих процессов: упругого котуннелирования (ECT) и скрещенного Андреевского отражения (CAR). В первом случае (ECT) электрон переходит из одного контакта в другой, оставаясь электроном и сохраняя свой отрицательный заряд. Напротив, при скрещенном Андреевском отражении (CAR) электрон вместе с электроном из второго контакта образует куперовскую пару (связанное состояние электронов, обладающее нулевым спином и отвечающее за само явление сверхпроводимости), уходящую в конденсат. При этом во втором контакте остается дырка (вакансия электрона), имеющая уже положительный заряд.
По мнению ученых, разделять эти процессы принципиально важно: CAR лежит в основе расщепления куперовских пар и генерации нелокальной запутанности, а управляемое соотношение CAR и ECT – необходимое условие для квантовых схем на майорановских состояниях, считающихся устойчивыми к небольшим внешним возмущениям. Именно поэтому экспериментальные заявления о наблюдении дальнодействующего CAR привлекают широкое внимание. Поводом для работы стала статья Дж. Фэна с соавторами о дальнодействующем CAR в нанопроводе топологического изолятора с наведенной сверхпроводимостью.
Опираясь на формализм матрицы рассеяния – теоретический метод квантовой механики – российские ученые продемонстрировали принципиальный недостаток в постановке экспериментов, приведенных в статье группы зарубежных исследователей. Ученые Института физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН в Черноголовке указали, что матрица проводимости, связывающая токи и напряжения в многополюсных электрических или квантовых системах, не меняется, если одновременно уменьшить все локальные вероятности рассеяния на некоторую величину и на ту же величину увеличить все нелокальные.
Это означает, что относительная сила CAR и ECT принципиально не восстанавливается из транспортного измерения — независимо от точности эксперимента и числа перебранных управляющих параметров. Необходим дополнительный, независимый источник информации, каким могло бы выступить измерение теплопроводности или дробового шума. Дело в том, что электропроводность чувствительна к разности вероятностей CAR и ECT, а теплопроводность – к их сумме. Таким образом, две эти величины, измеренные вместе, уже позволяли бы разделить обсуждаемые вклады. Это подтверждается экспериментами, проведенными группой российских ученых на NSN-структурах с нанопроводами InAs: измерение электропроводности дополняется измерением нелокальной тепловой проводимости по дробовому шуму.
«Главная идея очень простая: в структурах NSN размер матрицы проводимости остается тем же, а количество возможных микроскопических процессов растет из-за Андреевского отражения. В результате число неизвестных оказывается больше числа доступных измерений. В такой ситуации определения электропроводности, каким бы точным и детальным ни было ее измерение, уже недостаточно, и экспериментатору требуется дополнительная информация», – подчеркнул заведующий лабораторией электронной кинетики Института физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН, кандидат физико-математических наук Вадим Храпай.
Для быстро развивающейся области квантовых технологий, в которых гибридные сверхпроводниковые устройства рассматриваются как базовый инструмент, такая методологическая четкость важна не меньше, чем новые измерения.