Los qubits superconductores convencionales están basados en el efecto Josephson por el cual puede fluir corriente sin disipación a través de una unión túnel entre dos electrodos superconductores. Cuando se reduce dicha unión a una región nanométrica con alta transmisión, el sistema se comporta como un átomo artificial, en tanto que posee un espectro discreto de niveles a energías menores que el gap superconductor. De la misma forma que en el caso atómico, es posible inducir transiciones entre estos niveles mediante radiación electromagnética, que en este caso debe estar en el rango de las microondas. En este trabajo, que integra medidas experimentales con predicciones teóricas, se demuestra que los 4 estados en los que se excitan 2 niveles distintos (cada uno degenerado por spin), y que corresponden a una combinación singlete y a tres triplete, se separan debido a la interacción Coulomb en la región central de la unión, de manera similar a lo que dicta la regla de Hund en física atómica.

Este conjunto discreto de niveles, los estados ligados de Andreev, tiene su origen en que el gap superconductor de las regiones externas ejerce el rol de una barrera de potencial que confina los estados de la región central con energía menor que dicho gap [1]. En este experimento, la unión Josephson se construye con un nanohilo semiconductor de InAs (panel superior izquierdo en la figura) y se inserta en un anillo superconductor por el que pasa un flujo magnético que permite controlar la diferencia de fase superconductora δ entre los superconductores a cada lado. Los estados de Andreev dependen de esta diferencia de fase, y sus energías en este tipo de uniones rompen su degeneración de spin (salvo en δ=0, π) debido a la interacción spin-órbita presente en el InAs y a la longitud finita de la región central, que a su vez controla el número de estados ligados (panel inferior) [2]. Finalmente, el anillo superconductor está acoplado a un resonador que modifica su resonancia dependiendo del estado de la unión, lo que permite determinar cuándo se ha producido una transición (espectroscopía de microondas) [3].

Las transiciones inducidas por radiación conservan la paridad del número de partículas. En el sector par destacan las mixtas, que se producen cuando el sistema está en su estado fundamental y se rompe un par de Cooper, excitando dos cuasipartículas, una en cada doblete (panel inferior, flechas azules). En el impar, destacan las transiciones que ocurren cuando hay una única cuasipartícula atrapada en cierto nivel y es excitada a otro superior (flechas verdes). Las energías asociadas a estas últimas consisten en grupos de cuatro líneas que coinciden en δ=0,π (líneas verdes en paneles centrales y derecho) [2], sin embargo, las transiciones mixtas están completamente separadas en el experimento (líneas azules en panel derecho), algo que no ocurre en los modelos no-interactuantes que se venían usando previamente (panel central izquierdo). Para explicar la ruptura de esta degeneración, es necesario considerar un modelo que tenga en cuenta las interacciones de Coulomb presentes en la región central y que afectan notablemente a las excitaciones de dos cuasipartículas (panel central derecho) [4].

Estos resultados demuestran la potencia de técnicas como la espectroscopía de microondas, que permite resolver con detalle la estructura del espectro de excitaciones de Andreev en este tipo de uniones de manera similar a lo que se consigue en física atómica. A la ya mencionada estructura “fina” debida a la interacción spin-órbita se suma la comprensión del efecto de la interacción de Coulomb enlas excitaciones de dos quasipartículas. Esta complejidad, si bien dificulta el desarrollo directo de aplicaciones para las que estos nanohilos fueron diseñados -como la preparación de estados de Majorana-, también abre nuevas vías para la implementación de qubits e incluso para comprobación de la presencia (o no) de fases topológicas.

[1] E. Prada, P. San-José, M. W. A. de Moor, A. Geresdi, E. J. H. Lee, J. Klinovaja, D. Loss, J. Nygård, R. Aguado and L. P. Kouwenhoven, Nat. Rev. Phys. 2, 575–594 (2020)

[2] L. Tosi, C. Metzger, M. F. Goffman, C. Urbina, H. Pothier, Sunghun Park, A. Levy Yeyati, J. Nygård and P. Krogstrup, Phys. Rev. X 9, 011010 (2019)

[3] C. Metzger, Sunghun Park, L. Tosi, C. Janvier, A. A. Reynoso, M. F. Goffman, C. Urbina, A. Levy Yeyati and H. Pothier, Phys. Rev. Research 3, 013036 (2021)

[4] Artículo destacado: F. J. Matute-Cañadas, C. Metzger, Sunghun Park, L. Tosi, P. Krogstrup, J. Nygård, M. F. Goffman, C. Urbina, H. Pothier and A. Levy Yeyati, Phys. Rev. Lett. 128, 197702 (2022)