A szupravezető nanoszerkezetekben létrejövő Yu-Shiba-Rusinov állapot vizsgálatában értek el áttörést a BME fizikusai. A Bázeli Egyetemmel közös tanulmány a Nature Communications-ben jelent meg.

Az elmúlt években számos újszerű kvantumbit-koncepció született, melyek szupravezetők környezetében létrehozott alacsony energiájú állapotokon alapulnak. Ezek egyrészt ötvözni tudják a spin-alapú és szupravezető-alapú qubitek előnyeit, másrészt jól ellenállnak a kvantumbitet kitörlő környezeti hatásoknak. Az egyik ilyen állapot az ún. Yu-Shiba-Rusinov (YSR) állapot. Ilyen YSR állapotokat láncszerűen egymáshoz csatolva robosztus kvantuminformáció-tároló egységet lehetne létrehozni. Csatolásukat mindeddig csak nagyon precíz módszerekkel lehetett elérni: ferromágneses atomok körül nagyon kicsi a YSR-állapotok kiterjedése, ezért azokat szorosan egymás mellé kell pozícionálni, hogy egymással kölcsönhassanak.

A BME Fizika Tanszékén működő MTA-BME Nanoelektronika Kutatócsoportjában máshogy hozták létre az YSR állapotot: egy mesterséges atomot helyeztek a a szupravezető felületére. Elsőként sikerült kimérni az így létrehozott YSR állapot térbeli kiterjedését, ami meglepő eredményre vezetett: a térbeli kiterjedés a mérés alapján 50-200 nanométeresre becsülhető, ami lényegesen nagyobb az atomi esethez képest. Mesterséges atomok létrehozhatók egymástól ilyen távolságra, akár a mai nanotechnológiai eljárásokkal, ipari méretekben is. Ez az eredmény tehát utat nyit mesterséges YSR láncok elkészítése felé. Az YSR állapotok váratlanul nagy kiterjedését a BME Fizikai Intézet egy másik kutatócsoportjával együtt (BME-MTA Egzotikus Kvantumfázisok Kutatócsoport) sikerült elméletileg is értelmezni. 

Ábra: YSR állapot kiterjedésének mérése Egy szupravezetőhöz (SC) egy mesterséges atomot, ún. kvantumdotot csatolva (QD) a mesterséges atomon és környezetében létrejön a Yu-Shiba-Rusinov állapot (YSR). A szupravezető másik oldalához egy elektródát kapcsolunk, és az ezen átfolyó áram (I_T) segítségével tudjuk a YSR állapotot vizsgálni. A szupravezető 200nm szélessége (Δr) ellenére a YSR állapot megfigyelhető volt a szondával. Az állapot kiterjedése - az elméleti számításokkal  összhangban - még növekedett is a külső mágneses tér (B) hatására.

Zoltán Scherübl, Gergő Fülöp, Cătălin Paşcu Moca, Jörg Gramich, Andreas Baumgartner, Péter Makk, Tosson Elalaily, Christian Schönenberger, Jesper Nygård, Gergely Zaránd, Szabolcs Csonka
Large spatial extension of the zero-energy Yu-Shiba-Rusinov state in magnetic field
Nature Communications 11, 1834  (2020).
https://www.nature.com/articles/s41467-020-15322-9