Control cuántico de estados ligados en un dispositivo superconductor

Los profesores Gil-Ho Lee y Gil Young Cho del Departamento de Física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) en Corea del Sur, en colaboración con el Dr. Kenji Watanabe y el Dr. Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) en Japón, han controlado con éxito las propiedades mecánico-cuánticas de los estados ligados de Andreev en las uniones Josephson basadas en grafeno bicapa mediante tensión de puerta. Su investigación ha sido publicada en Physical Review Letters, la revista internacional en el campo de la física.

Los superconductores son materiales que exhiben resistencia eléctrica cero bajo condiciones específicas, como temperaturas extremadamente bajas o altas presiones. Cuando un conductor normal muy delgado se coloca entre dos superconductores, una supercorriente fluye a través del conductor normal debido al efecto de proximidad, donde la superconductividad se extiende al conductor normal. Este dispositivo se conoce como unión Josephson. Dentro del conductor normal, se forman nuevos estados cuánticos llamados estados ligados de Andreev, que son cruciales para mediar el flujo de supercorriente.

El número de niveles de energía en los estados ligados de Andreev, que determina las propiedades eléctricas de una unión Josephson, depende de la relación entre la “longitud del canal de conducción” (la longitud del conductor normal) y la “longitud de coherencia superconductora” (la longitud a lo largo de la cual se puede mantener el estado superconductor en el conductor normal). Cuando el canal de conducción es corto y el número de niveles de estado ligado de Andreev se limita a un par, se dice que el sistema está en el “límite de unión corta”. Por el contrario, si hay más de dos pares, se denomina “límite de unión larga”.

En este estudio, el equipo de investigación utilizó la tensión de puerta para controlar la dispersión de energía cuadrática del grafeno bicapa, así como la longitud de coherencia superconductora en tiempo real. Utilizando la espectroscopia de tunelización desarrollada en su trabajo anterior, observaron el cambio de los estados ligados de Andreev a diferentes tensiones de puerta en tiempo real y confirmaron que los resultados experimentales coincidían con las predicciones teóricas.

Geon-Hyoung Park, autor principal e investigador del Centro de Investigación y Educación de Dispositivos de Información Cuántica de POSTECH, declaró: “Hemos observado los estados ligados de Andreev en el límite de unión larga, un fenómeno que se ve predominantemente en el límite de unión corta”. Añadió: “Anticipamos que el número de niveles de energía se puede ajustar fácilmente aplicando únicamente tensión de puerta, lo que ofrece aplicaciones potenciales en diversos campos, como la computación cuántica y los sensores cuánticos de alta precisión”.

La investigación se llevó a cabo con el apoyo de la Fundación Nacional de Investigación de Corea, el Ministerio de Ciencia e ICT, el ITRC, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, el Instituto de Ciencia Básica (IBS), el Programa de Incubación de Tecnología Futura de Samsung, Samsung Electronics, el Instituto de Investigación de Ciencias Básicas, el JSPS KAKENHI y la Iniciativa del Centro Internacional de Investigación de Primera Clase Mundial (WPI).