Dimostrata la correlazione di spin tra elettroni accoppiati

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Gli elettroni lasciano un superconduttore solo come coppie di spin opposti. Se eGli elettroni lasciano un superconduttore solo come coppie di spin opposti. Se entrambi i percorsi degli elettroni sono bloccati per un tipo di spin da filtri di spin paralleli, gli elettroni accoppiati sono bloccati dal lasciare il superconduttore - il flusso di corrente diminuisce.

I fisici dell’Università di Basilea hanno dimostrato per la prima volta sperimentalmente che esiste una correlazione negativa tra i due spin di una coppia di elettroni entangled di un superconduttore. Per il loro studio hanno utilizzato filtri di spin costituiti da nanomagneti e punti quantici, come riportato nella rivista scientifica "Nature".

L’entanglement di due particelle è uno dei fenomeni della fisica quantistica difficilmente conciliabili con l’esperienza quotidiana. Nell’entanglement, descritto da Albert Einstein come "azione stregata a distanza", alcune proprietà di due particelle sono strettamente collegate, anche se sono molto distanti tra loro. Lo studio dell’entanglement nelle particelle di luce è stato premiato quest’anno con il Premio Nobel per la Fisica.

Due elettroni possono anche essere intrecciati, ad esempio per il loro spin. In un superconduttore, ad esempio, due elettroni formano le cosiddette coppie di Cooper, in cui gli spin individuali sono intrecciati e che garantiscono una conduzione di corrente senza perdite.

Da alcuni anni i ricercatori dello Swiss Nanoscience Institute e del Dipartimento di Fisica dell’Università di Basilea sono in grado di estrarre coppie di elettroni da un superconduttore e di separare spazialmente i due elettroni. Per ottenere questo risultato sono stati utilizzati due punti quantici, strutture nanoelettroniche collegate in parallelo, ognuna delle quali è permeabile solo a singoli elettroni.

Spin di elettroni opposti delle coppie di Cooper

Oggi, il team di Christian Schönenberger e Andreas Baumgartner, in collaborazione con i ricercatori di Lucia Sorba dell’Istituto Nanoscienze-CNR e della Scuola Normale Superiore di Pisa, ha dimostrato per la prima volta sperimentalmente ciò che da tempo era previsto a livello teorico: gli elettroni in un superconduttore appaiono sempre in coppia e con spin opposti.

Utilizzando un innovativo dispositivo sperimentale, i fisici sono riusciti a misurare che lo spin di un elettrone è diretto verso l’alto quando l’altro è diretto verso il basso, e viceversa. In questo modo, abbiamo dimostrato sperimentalmente la correlazione negativa tra gli spin degli elettroni accoppiati", spiega Andreas Baumgartner, che ha guidato il progetto.

I ricercatori hanno ottenuto questo risultato utilizzando un filtro di rotazione da loro stessi sviluppato. A questo scopo, hanno creato campi magnetici regolabili individualmente con l’aiuto di piccoli magneti in ciascuno dei due punti quantici che separano gli elettroni della coppia di Cooper. Poiché lo spin determina anche il momento magnetico di un elettrone, solo un certo tipo di spin può passare ogni volta.


Possiamo regolare i due punti quantici in modo che passino soprattutto gli elettroni con un certo spin", spiega il dottor Arunav Bordoloi, primo autore dello studio, descrivendo l’impostazione sperimentale. Ad esempio, un elettrone con spin verso l’alto passa attraverso un punto quantico e un elettrone con spin verso il basso passa attraverso l’altro punto quantico, o viceversa. Se i due punti quantici sono impostati in modo da consentire il passaggio solo degli stessi spin, le correnti elettriche si riducono in entrambi i punti quantici, anche se un singolo elettrone dovrebbe attraversare completamente un solo punto quantico.

Con questo metodo siamo riusciti a dimostrare per la prima volta queste correlazioni negative tra gli spin degli elettroni di un superconduttore", riassume Andreas Baumgartner. I nostri esperimenti sono il primo passo, ma non ancora una prova completa dell’entanglement degli spin degli elettroni, perché non possiamo regolare i filtri di spin a piacimento - ma ci stiamo ancora lavorando.

Questo lavoro, pubblicato su "Nature", è considerato un passo importante per l’ulteriore studio sperimentale dei fenomeni della meccanica quantistica, come l’entanglement delle particelle nei solidi, che è anche fondamentale per il funzionamento dei computer quantistici.

Pubblicazione originale

Arunav Bordoloi, Valentina Zannier, Lucia Sorba, Christian Schönenberger, Andreas Baumgartner
Spin Cross-Correlation Experiments in an Electron Entangler, Nature (2022), doi : 10.1038/s41586’022 -05436-z