La física microscópica de los diodos superconductores de tipo Josephson

Dibujo20130719 Micrograph SQUID Josephson junction with spectrometer and suspended bridge

Un diodo Josephson está formado por dos superconductores separados por un aislante muy estrecho, tanto que las funciones de onda de los pares de Cooper a ambos lados se solapan produciendo una (super)corriente entre ambos por efecto túnel. El mecanismo microscópico responsable es la aparición de estados dobletes de Andreev cuyos niveles de energía están relacionados con la diferencia de fase entre los pares de Cooper a ambos lados del aislante. Se publica en Nature la primera observación experimental por espectroscopia de los estados dobletes de Andreev, que se comportan como fermiones (tienen espín 1/2) localizados a modo de “puentes” entre ambos superconductores. Bretheau et al. han detectado por primera vez estos estados usando la técnica de espectroscopia por absorción de fotones. Nos lo cuentan Simon Gustavsson y William D. Oliver, “Quantum physics: Andreev states taken to the next level,” Nature 499: 286–287, 18 Jul 2013, haciéndose eco del artículo técnico de L. Bretheau et al., “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact,” Nature 499: 312–315, 18 Jul 2013.

Dibujo20130719 Photon-absorption spectroscopy of an Andreev bound-state doublet

En un diodo Josephson macroscópico (por ejemplo en un dispositivo SQUID) se producen muchos “puentes” de Andreev microscópicos. Para poder observar los estados de Andreev es necesario diseñar un sistema experimental con un único “puente,” para ello Bretheau et al. han utilizado un puente físico suspendido entre ambos superconductores con sólo unos pocos átomos. Además de este alarde técnico, se ha usado otro diodo Josephson que actúa como espectrómetro para medir las transiciones entre el estado fundamental y los estados excitados de Andreev. Al aplicar un voltaje al diodo que actúa como espectrómetro se emite radiación electromagnética de hasta 80 GHz (cuya frecuencia es ajustable variando el voltaje aplicado). El principio de conservación de la energía provoca la aparición de una corriente continua en el diodo cuya medida permite determinar las transiciones entre los estados de Andreev. 

Dibujo20130719 Interpretation of the absorption spectrat

Ya existían indicios previos de la existencia de los estados de Andreev, pero eran indirectos. La nueva evidencia es concluyente, como muestra el buen acuerdo entre las predicciones teóricas y los espectros de absorción observados. ¿Para qué puede servir la manipulación de los estados de Andreev? Bretheau y sus colegas afirman que estos estados pueden usarse en computación cuántica (para el desarrollo de nuevas puertas lógicas cuánticas) y además podrían servir como sistema físico análogo a partículas de Majorana (gracias a sus interacciones con el espín y el momento angular de los electrones). Pero quizás lo más interesante de la “física de los estados de Andreev” es que permitirá conocer mejor algunas propiedades microscópicas de la superconductividad.