Ögonblick av tystnad visar vägen mot bättre supraledare

Supraledare är en hörnsten i bland annat kvantdatorer och partikeldetektorer. Ett vanligt problem är dock att effektiviteten försämras av olika störningar. Nu har forskare vid bland annat LTH genom högprecisionsmätningar kommit ett steg närmare en förklaring till vad det är som händer. Resultaten publiceras nu i Nature Physics.

Jonas Andersson – Publicerad den 21 december 2021

Tekniken bestod av en mikrometerstor supraledare av aluminium, separerad från en normal ledare av koppar med ett tunt isolerande skikt. När Cooper-par i supraledaren gick sönder, kunde kvasipartiklarna ta sig, via så kallad kvantmekanisk tunnling, genom isoleringen till kopparn, där forskarna observerade dem med en laddningsdetektor. Bild: Aalto-universitetet.

Supraledning är beroende av närvaron av elektroner bundna i så kallade Cooper-par. Två elektroner kopplas ihop genom växelverkan som förmedlas av vibrationer av atomer i en metall och synkroniseras med varandra trots att de är hundratals nanometer från varandra. 

Så länge det sker under en viss temperatur, så kallt som nära den absoluta nollpunkten, fungerar dessa Cooper-par som en vätska som inte förlorar energi, vilket innebär att de inte ger upphov till något motstånd för elektrisk ström.

– Men trots att det är så nära nollpunkten så är inte supraledarna helt stilla och isolerade. Det är någonting som orsakar störningar, säger Ville Maisi, forskare vid NanoLund.

Begränsar prestationsförmågan

För ibland bryts ett Cooper-par till två kvasipartiklar – oparade elektroner – som hämmar prestandan hos supraledare. Forskare vet fortfarande inte varför de går sönder, men närvaron av kvasipartiklar leder till brus i olika typer av komponenter baserade på supraledare, till exempel kvantbitar, grundläggande byggstenar i supraledande kvantdatorer. Detta förhindrar en kvantdator från att fungera felfritt.

– Även om det bara finns en kvasipartikel per miljard Cooper-par, begränsar det prestationsförmågan hos kvantbitar och förhindrar en kvantdator från att fungera felfritt, säger Elsa Mannila, som forskat om kvasipartiklar vid Aalto-universitetet innan hon flyttade till Teknologiska forskningscentralen i Finland (VTT). 

Det finns teorier om att det exempelvis skulle kunna vara partiklar från kosmisk atmosfärisk radioaktiv strålning som orsakar störningarna. Men eftersom man inte vet säkert skulle det vara värdefullt att veta varför Cooper-par går sönder, vilket i förlängningen skulle kunna innebära att man lär sig att bygga bättre supraledare som inte störs så ofta.

Mäter enskilda elektroner

Forskare från Lunds universitet, Aalto och VTT (Teknologiska forskningscentralen i Finland) satte därför upp ett experiment för att i realtid undersöka när Cooper-par delar sig.

–  Det är svårt att mäta vad som händer inne i en supraledare, men med en ny teknik kan man förenklat säga att man öppnade en ”kran” och lät partiklarna hoppa ut till en ledare av koppar, där forskarna kunde observera partiklarna med en laddningsdetektor. Här kan man mäta när enskilda elektroner dyker upp, säger Peter Samuelsson, forskare i matematisk fysik.

Forskarna fann att Cooper-par ofta går sönder i utbrott – flera stycken samtidigt – vilket leder till mycket korta skurar av kvasipartiklar följda av långa perioder av tystnad, då supraledaren är helt fri från kvasipartiklar.

Färre utbrott med tiden

Bilden som framträder är att det är mest tystnad, men ibland går ett eller flera Cooper-par sönder och det leder till en explosion av händelser. De tysta perioderna varade mycket längre än skurarna av kvasipartiklar. I tidigare experiment har man brukat mäta det genomsnittliga antalet kvasipartiklar över tid, men man visste inte hur det såg ut i varje ögonblick.

– En annan upptäckt var att antalet Cooper-par som sprack var mycket fler i början av experimentet, som pågick i 100 dagar. Med tiden blev utbrotten allt färre, säger Ville Maisi, forskare vid NanoLund.

Varför det är så vet man inte ännu, men detta kan leda till kunskap om var energin för att bryta Cooper-paren kommer från. Till exempel kan det tyckas märkligt om störningarna skulle vara kosmiska, då de störningarna inte borde avta med tiden. 

– Att det händer så mycket i början kan bero på föroreningar i materialen. Föroreningar kyls ner mycket långsamt, vilket leder till små förändringar i systemet över tid, säger professor Jukka Pekola vid Aalto-universitetet.

Utnyttja perioderna av tystnad

I dag finns det störningar i kvantdatorers beräkningar som gör att man måste göra många försök på grund av störningarna, och dessa försök måste sedan statistiskt jämföras för att hitta det mest sannolika resultatet. 

– Om man skulle kunna utnyttja perioderna av tystnad och undvika störningarna skulle man kunna plocka russinen ur kakan och köra en nästan perfekt kvantdator, säger Peter Samuelsson.

Läs en längre artikel på Aalto universitets sida 

Artikeln I Nature Physics: A superconductor free of quasiparticles for seconds

Forskningen

Forskningen utfördes som ett samarbete mellan Aalto-universitetet i Finland, Lunds universitet samt VTT (Teknologiska forskningscentralen i Finland).

Ville Maisi

Ville Maisi är verksam som forskare vid NanoLund och är även diträdande universitetslektor vid Fasta tillståndets fysik.

Läs mer om hans forskning i Forskningsportalen

Peter Samuelsson

Peter Samuelsson är verksam vid NanoLund och professor i teoretisk fysik vid avdelningen Matematisk fysik.

Läs mer om hans forskning i Forskningsportalen