Физики увидели запутанность продуктов распада куперовской пары

Физики из Италии и Швейцарии экспериментально доказали наличие антикорреляции у электронов, родившихся в результате распада куперовской пары в сверхпроводнике. Для этого они измеряли соответствующие токи по обе стороны от сверхпроводника, фильтруя их по спинам. Исследование опубликовано в Nature.

Совокупность фермионов в общем случае сохраняет статистические свойства отдельных частиц. Но все меняется, если фермионов четное число и между ними возникает достаточно интенсивная связь, которая может поддерживать квантовую корреляцию. В этом случае фермионные пары можно объединить и рассматривать их в качестве одной частицы, подчиняющейся статистике Бозе — Эйнштейна.

Наиболее понятным примером этого механизма можно назвать атом водорода. И электрон, и протон — фермионы, но атом, собранный из них — бозон. При этом свойства атома различны, в зависимости от того, в каком соотношении находятся спины фермионов. Так, если их спины противонаправлены, говорят про синглетное состояние. Такое название означает, что проекция полного момента F (нулевого) на ось Z может принимать всего одно (нулевое) значение. В ситуации, когда спины сонаправлены и F = 1, говорят про триплетное состояние (F имеет три проекции). Синглетное и триплетное состояния отличаются по энергии: зазор между ними соответствует излучению с длиной волны 21 сантиметр. Эта линия играет важную роль в радиоастрономии.

Другим примером спаривания в бозоны стало образование куперовских пар в сверхпроводниках. Так называют два электрона проводимости, взаимодействующих через обмен фононами. Став бозоном, такая пара перестает испытывать ограничения, накладываемая принципом запрета Паули, что приводит к уменьшению электрического сопротивления материала до нуля.

Корреляции хрупки и быстро разрушаются, если частицы разносятся на большие расстояния из-за влияния окружающих тел. Они возникают и для безмассовых частиц, например, фотонов (в этом случае чаще употребляют термин «квантовая запутанность»). Благодаря их световой скорости и слабости взаимодействия с окружением фотонную запутанность удается сохранить на очень больших дистанциях разделения (сегодня речь идет о нескольких тысячах километров). С массивными заряженными частицами успехи скромнее. Если запутанность при ионизации атомов и молекул удается зафиксировать с помощью некоторых ухищрений, то вот достаточно надежной корреляции электронов физики напрямую еще не видели.

Впервые это смогли сделать Арунав Бордолой (Arunav Bordoloi) из Базельского университета и его коллеги из Италии и Швейцарии. Авторы изготовили делитель куперовских пар на основе перекрестного андреевского рассеяния. Измеряя среднее спин-корреляционного оператора они добились отрицательного значения, существенно отличного от нуля. Это надежно подтверждает антикорреляцию электронов, образовавшихся в результате распада синглетной куперовской пары.

Обычное андреевское отражение возникает на границе между нормальным и сверхпроводником. При переходе этой границы в сторону сверхпроводника в нем может родиться куперовская пара, второй электрон для которой образует вакансию (дырку), двигающуюся с импульсом, направленным противоположно импульсу падающего электрона. Это выглядит так, словно электрон отражается от границы, одновременно превращаясь в дырку. Если же у сверхпроводника две такие границы, а расстояние между ними не превышает длины когерентности куперовской пары, дырка может вылететь с противоположной стороны. Такая ситуация называется перекрестным андреевским отражением (или рассеянием).

Авторы выбрали ту его форму, в которой пара в начальным момент уже существует в сверхпроводнике и распадается и испусканием скоррелированных электронов в обе стороны без образования дырок. Чтобы эти корреляции были ощутимы, нужны условия, которые пропускают только спины определенных направлений.

Эту функцию в эксперименте физиков выполняли две квантовые точки, служившие интерфейсами между сверхпроводником и двумя нормальными электродами. С помощью спин-чувствительного зеемановского смещения их уровней в магнитном поле, ученые добивались того, что спиновая проводимость в обе стороны была противоположна. Прикладывая напряжение к сверхпроводнику и стимулируя в нем рождение и распад пары, авторы измеряли проводимости обоих контактов при различных ориентациях спин-фильтров.

В результате эксперимента физики получили степень корреляции, равную −0,4, что, с одной стороны, меньше, чем −1, которая должна получаться при полной антикорреляции электронов, но, с другой стороны, надежно отлична от нуля. Тот факт, что антикорреляция неполная, они связали с неидеальностью работы квантовых точек в роли спин-фильтров. Ученые надеются, что их исследование послужит толчком к исследованию триплетной и топологической сверхпроводимости, наблюдению корреляций в ферромагнитной фазе и даже проверке неравенств Белла в твердотельных условиях.

Ранее мы писали про то, как физики предсказали образование триплетных куперовских пар при отсутствии магнитного упорядочивания.