A Hamburgi Egyetem vezetésével folytatott német-magyar együttműködésben Palotás Krisztián (Wigner FK, MTA-SZTE Reakciókinetikai és Felületkémiai Kutatócsoport, BME), Lászlóffy András (Wigner FK, BME) és Szunyogh László (BME, MTA-BME Kondenzált Anyagok Kutatócsoport) Magyarországról, illetve Rózsa Levente (Konstanzi Egyetem) hozzájárultak mágneses szennyezők által keltett újfajta kvantumállapotok elméleti értelmezéséhez egy szupravezető felületén. Az eredmények a rangos Nature Communications folyóiratban kerültek közlésre.
A szupravezetőkben a kvantummechanikai jelenségek mindennapi méretskálákon figyelhetőek meg, ezért alkalmazásuk alapvető jelentőségű lehet kvantumszámítógépek tervezésénél. Kivételesen hosszú idejű stabilitásuknak köszönhetően a mágneses anyagokat széleskörűen alkalmazzák információtárolásra a klasszikus digitális számítógépekben. Ennek a két koncepciónak a kombinálása nem egyszerű, ugyanis a szupravezetés és az erős mágneses terek kizárják egymás jelenlétét. Mindazonáltal az atomi skálán lehetséges hibrid mágneses-szupravezető rendszerek létrehozása, mely lehetőség különösen stabil alkalmazások felé nyit utat a kvantuminformáció-technológia területén. Szupravezetőbe helyezett mágneses atomok közelében ún. Yu-Shiba-Rusinov-állapotok (YSR) jönnek létre, melyek a mágnes-szupravezető rendszerek alapvető építőkövei. Az utóbbi évtizedekben jelentős kutatás folyt az elektronok spin- és pályamomentumai között fellépő kölcsönhatás, az ún. spin-pálya-csatolás (SPCS) következtében fellépő jelenségek vizsgálatában. Ennek ellenére a SPCS hatását egyedi vagy párban álló atomok YSR-állapotaira eddig kevéssé kutatták akár kísérleti, akár elméleti oldalról.
A Nature Communications folyóiratban újonnan megjelent tudományos közleményben a kutatók YSR-állapotok fejlődését követték nyomon különálló Mn atomokon és mesterségesen létrehozott ferromágnesesen, ill. antiferromágnesesen (AFM) csatolt Mn atomi dimereken Nb(110) szupravezető felületén. A ferromágneses spinbeállás a dimert alakító Mn atomok egyirányú spinmomentumait jelenti, míg az AFM beállás ellentétes irányú Mn spinmomentumokat. A dimer kialakulásával az atomi YSR-állapotok felhasadnak mindkét mágneses beállás esetén. Fontos eredményként kísérletileg elsőként sikerült kimutatni a hibridizált YSR-állapotok SPCS által történő felhasadását AFM dimerekben, és ezen állapotok részletes elméleti vizsgálatát is elvégezték. Korábbi munkákban a felhasadt YSR-állapotok jelenlétéből szupravezetőhöz csatolt dimerekben arra következtettek, hogy az AFM spinbeállás kizárható. Az újonnan bemutatott eredmények az AFM dimerekben tapasztalható felhasadt YSR-állapotokról ezen korábbi értelmezés felülvizsgálatát szorgalmazzák. A numerikus számítások az AFM dimerekben a felhasadt YSR-állapotok jelenlétét egyértelműen a SPCS hatásával és a felületi inverziós szimmetria hiányával magyarázzák. A bemutatott eredmények arra utalnak, hogy lehetséges a YSR-állapotokból sávokat kialakítani AFM elrendezésekben is, amely új lehetőségeket nyit meg a topologikus szupravezetők kialakításának szempontjából.
A cikk elérhetősége: Nature Communications 12, 2040 (2021)
