El susurro del semiconductor bajo el zumbido del superconductor
Una fina capa de arseniuro de indio está escondida bajo una película superconductora, como una voz bajo el ruido de la multitud. En este híbrido, la corriente elige el camino de menor resistencia y casi toda fluye por el metal, por lo que el semiconductor permanece inaudible para los instrumentos convencionales. Pero si se aplica un campo magnético fuerte, en la capa oculta despiertan las oscilaciones cuánticas: variaciones periódicas de la resistencia, similares a una respiración rítmica. Ese susurro es el que se ha logrado escuchar.
Los físicos depositaron sobre la heteroestructura InGaAs/InAs/InGaAs seis metales diferentes: aluminio, estaño, vanadio, niobio, tantalio y renio. La deposición se realizó a una temperatura de 7 K para que la interfaz permaneciera nítida. Luego, las muestras se colocaron en un campo magnético de hasta 14 T y se midió la resistencia a temperaturas entre 1,8 y 20 K. Incluso cuando la corriente circulaba principalmente por el metal, las oscilaciones del pozo semiconductor se abrían paso hacia el exterior. Para extraer los parámetros de estas oscilaciones, la amplitud de las mismas tuvo que multiplicarse por un factor de corrección que tiene en cuenta la fracción de corriente que desvía el metal.
Cada película creó en la interfaz con el semiconductor una subbanda adicional: un canal separado para los electrones. En los metales refractarios (tantalio, niobio, vanadio, renio) este canal resultó ser poco profundo, mientras que en el aluminio y el estaño fue profundo. Al mismo tiempo, el pozo cuántico principal apenas cambió: su frecuencia de oscilación se mantuvo alrededor de 5 T, y la masa de los electrones y el factor g (un número que describe el momento magnético del electrón) se desviaron de la muestra sin recubrir en no más del 10%. Lo más inesperado: el tiempo de vida cuántico, es decir, el tiempo durante el cual un electrón conserva su estado cuántico, no se acortó bajo ninguna de las películas. El aluminio y el estaño incluso lo alargaron.
El acoplamiento entre el pozo y el metal resultó ser débil: el límite superior de la energía de acoplamiento fue de 0,18 a 0,6 meV dependiendo del metal. Esto significa que la brecha superconductora (la separación de energía que el metal induce en el semiconductor) alcanza solo entre 0,3 y 0,8 de su valor completo. Antes, estos parámetros permanecían desconocidos porque el metal desviaba la corriente e impedía realizar mediciones estándar. Ahora, las oscilaciones cuánticas han permitido mirar debajo de la película sin destruir el híbrido.
Estas cifras no son para un informe, sino para un propósito práctico. Los qubits híbridos y los dispositivos basados en estados de Majorana requieren un conocimiento preciso del estado normal del semiconductor: su masa, factor g y movilidad. El trabajo demuestra que una película superconductora no necesariamente estropea el semiconductor, sino que a veces actúa como una pantalla protectora. El susurro que al principio parecía indistinguible ahora no solo se puede oír, sino también descifrar palabra por palabra.
Una película de aluminio de 2,3 nm de espesor (apenas 10 capas atómicas) no solo no daña el pozo cuántico, sino que aumenta su tiempo de vida cuántico en un 60% en comparación con la muestra sin cubrir.