Запутанность между двумя частицами относится к числу тех явлений квантовой физики, которые трудно согласовать с повседневным опытом. Если они запутаны, определенные свойства двух частиц тесно связаны, даже когда они находятся далеко друг от друга. Альберт Эйнштейн описывал запутанность как "жуткое действие на расстоянии". Исследование запутанности между частицами света (фотонами) было удостоено в этом году Нобелевской премии по физике.

Два электрона также могут быть запутаны - например, в их спинах. В сверхпроводнике электроны образуют так называемые куперовские пары, ответственные за электрические токи без потерь и в которых запутаны отдельные спины.

В течение нескольких лет исследователям из Швейцарского института нанонауки и физического факультета Базельского университета удавалось извлекать электронные пары из сверхпроводника и пространственно разделять два электрона. Это достигается с помощью двух квантовых точек - параллельно соединенных наноэлектронных структур, каждая из которых пропускает только отдельные электроны.

Противоположные спины электронов от куперовских пар

Команда проф. д-ра Кристиана Шененбергера и д-ра Андреаса Баумгартнера в сотрудничестве с исследователями во главе с проф. д-ром Лючией Сорба из Института нанонауки-CNR и Высшей нормальной школы в Пизе теперь смогли экспериментально продемонстрировать то, что давно ожидалось теоретически: электроны из сверхпроводника всегда выходят парами с противоположными спинами..

Используя инновационную экспериментальную установку, физики смогли измерить, что спин одного электрона направлен вверх, когда другой направлен вниз, и наоборот. "Таким образом, мы экспериментально доказали отрицательную корреляцию между спинами парных электронов", - объясняет руководитель проекта Андреас Баумгартнер.

Исследователи достигли этого, используя спиновый фильтр, который они разработали в своей лаборатории. Используя крошечные магниты, они создали индивидуально регулируемые магнитные поля в каждой из двух квантовых точек, которые разделяют электроны куперовской пары. Поскольку спин также определяет магнитный момент электрона, одновременно допускается только один конкретный тип спина.

"Мы можем настроить обе квантовые точки таким образом, чтобы через них проходили в основном электроны с определенным спином", - объясняет первый автор доктор Арунав Бордолой. "Например, электрон со спином вверх проходит через одну квантовую точку, а электрон со спином вниз проходит через другую квантовую точку, или наоборот. Если обе квантовые точки настроены на передачу только одних и тех же спинов, электрические токи в обеих квантовых точках уменьшаются, даже несмотря на то, что отдельный электрон вполне может проходить через одну квантовую точку."

"С помощью этого метода мы впервые смогли обнаружить такие отрицательные корреляции между спинами электронов в сверхпроводнике", - заключает Андреас Баумгартнер. "Наши эксперименты являются первым шагом, но еще не окончательным доказательством запутанных электронных спинов, поскольку мы не можем произвольно устанавливать ориентацию спиновых фильтров, но мы работаем над этим".

Исследование, которое недавно было опубликовано в Природа, считается важным шагом на пути к дальнейшим экспериментальным исследованиям квантовомеханических явлений, таких как запутывание частиц в твердых телах, которое также является ключевым компонентом квантовых компьютеров.