Elektronenparen in supergeleiders gesplitst, quantummechanische verwantschap behouden

 
In gewone metalen zijn het individuele, onafhankelijke elektronen die de elektrische stroom verzorgen. In supergeleiders is dat anders. De elektronen in deze materialen vormen paren, ook wel Cooperparen genoemd. Het is de beweging van deze paren die voorziet in de superstroom door het materiaal. Wanneer stroom wordt geïnjecteerd vanuit een gewoon metaal in een supergeleider is het dus nodig dat onafhankelijke elektronen Coopertweetallen vormen. Dit gebeurt via een microscopisch proces dat bekend staat als Andreev-reflectie: een elektron wordt geïnjecteerd vanuit het gewone metaal en vormt een Cooperpaar met een tweede elektron. Dit proces zorgt ervoor dat er tegelijkertijd een gat (ofwel ontbrekend elektron) terug wordt gereflecteerd in hetzelfde metalen contact als van waaruit het elektron werd geïnjecteerd. Sinds de ontdekking van Andreev-reflectie in 1964 is het principe gebruikt om talloze elektronische fenomenen te verklaren in juncties van gewone metalen en supergeleiders -variërend van thermische geleiding tot het optreden van Josephson-superstromen.

De Delftse onderzoekers Saverio Russo, Matthias Kroug, Teun Klapwijk en Alberto Morpurgo laten nu een nieuwe eigenschap van Andreev-reflectie zien, een die nog maar recentelijk theoretisch voorspeld werd. Het team onderzocht speciaal ontworpen structuren waarin twee metalen contacten zijn verbonden aan een supergeleidend element met afmetingen die vergelijkbaar zijn met die van een enkel Cooperpaar (de zogeheten supergeleidende coherentielengte). De wetenschappers vonden dat een elektron dat geïnjecteerd wordt vanuit één van de twee metalen contacten omgezet wordt in een Cooperpaar door samen te gaan met een elektron uit het andere metalen contact. Op deze manier veroorzaakt de injectie van een elektron aan één kant van de supergeleider een gat aan de andere kant. Dit staat bekend als niet-lokale Andreev-reflectie. Het Delftse onderzoek toont aan dat dit proces quantummechanisch fasecoherent is en dat de waarschijnlijkheid van reflectie afhankelijk is van de energie van het geïnjecteerde elektron.