Предложен новый подход к измерению электропроводности в сверхпроводниках
Сотрудники лаборатории электронной кинетики Института физики твёрдого тела им. Ю.А. Осипьяна Российской академии наук продемонстрировали новый подход к измерению электропроводности в сверхпроводниках.
В рамках научной дискуссии, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи ИФТТ РАН опровергли интерпретацию эксперимента по измерению электропроводности в структурах «нормальный металл — сверхпроводник — нормальный металл» (NSN), который провели зарубежные коллеги. Российские физики 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 наведённой в нём 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 скрещённом Андреевском отражении (CAR) электрон вместе с электроном из второго контакта образует куперовскую пару, уходящую в конденсат. При этом во втором контакте остаётся дырка, имеющая уже положительный заряд.
По мнению авторов, 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 наведённой сверхпроводимостью.
Опираясь на формализм матрицы рассеяния, российские физики продемонстрировали принципиальный недостаток в постановке экспериментов, приведённых в статье группы зарубежных исследователей. Сотрудники ИФТТ РАН 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, проведёнными группой российских учёных 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 остаётся тем же, а количество возможных микроскопических процессов растёт 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 её измерение, уже недостаточно, и экспериментатору требуется дополнительная информация», — подчеркнул заведующий лабораторией электронной кинетики ИФТТ РАН кандидат физико-математических наук Вадим Храпай.
Для быстро развивающейся области квантовых технологий, в которых гибридные сверхпроводниковые устройства рассматриваются как базовый инструмент, такая методологическая чёткость важна не меньше, чем новые измерения.
Источник: ИФТТ РАН