Ученые Лаборатории электронной кинетики ИФТТ РАН с.н.с. Е.С. Тихонов и заведующий лабораторией В.С. Храпай продемонстрировали новый подход к измерению электропроводности в сверхпроводниках.
В рамках научной дискуссии, опубликованной в журнале Nature Physics [1], российские ученые опровергли интерпретацию эксперимента по измерению электропроводности в структурах «нормальный металл — сверхпроводник — нормальный металл» (NSN), который провели зарубежные коллеги. Российские ученые доказали, что само измерение электропроводности не позволяет определить относительный вклад скрещенного Андреевского отражения (CAR) и упругого котуннелирования (ECT).
Структуры NSN — базовый инструмент современных квантовых технологий. Когда два нормальных контакта присоединены к общему проводнику с наведенной в нем сверхпроводимостью (коллективное явление, позволяющее некоторым материалам проводить электрический ток без затухания), ток между ними переносится с помощью двух конкурирующих процессов: упругого котуннелирования (ECT) и скрещенного Андреевского отражения (CAR). В первом случае (ECT) электрон переходит из одного контакта в другой, оставаясь электроном и сохраняя свой отрицательный заряд. Напротив, при скрещенном Андреевском отражении (CAR) электрон вместе с электроном из второго контакта образует куперовскую пару, уходящую в конденсат. При этом во втором контакте остается дырка, имеющая уже положительный заряд.
По мнению ученых, разделять эти процессы принципиально важно: CAR лежит в основе расщепления куперовских пар и генерации нелокальной запутанности, а управляемое соотношение CAR и ECT — необходимое условие для квантовых схем на майорановских состояниях, считающихся устойчивыми к небольшим внешним возмущениям. Именно поэтому экспериментальные заявления о наблюдении дальнодействующего CAR привлекают широкое внимание. Поводом для работы стала статья Дж. Фэна с соавторами о дальнодействующем CAR в нанопроводе топологического изолятора с наведенной сверхпроводимостью [2].
Опираясь на формализм матрицы рассеяния российские ученые продемонстрировали принципиальный недостаток в постановке экспериментов, приведенных в статье группы зарубежных исследователей. Ученые ИФТТ РАН указали, что матрица проводимости, связывающая токи и напряжения в многополюсных электрических или квантовых системах, не меняется, если одновременно уменьшить все локальные вероятности рассеяния на некоторую величину и на ту же величину увеличить все нелокальные.
Это означает, что относительная сила CAR и ECT принципиально не восстанавливается из транспортного измерения — независимо от точности эксперимента и числа перебранных управляющих параметров. Необходим дополнительный, независимый источник информации, каким могло бы выступить измерение теплопроводности или дробового шума. Дело в том, что электропроводность чувствительна к разности вероятностей CAR и ECT, а теплопроводность — к их сумме. Таким образом, две эти величины, измеренные вместе, уже позволяли бы разделить обсуждаемые вклады. Это подтверждается экспериментами, проведенными группой российских ученых на NSN-структурах с нанопроводами InAs: измерение электропроводности дополняется измерением нелокальной тепловой проводимости по дробовому шуму[3, 4].
«Главная идея очень простая: в структурах NSN размер матрицы проводимости остается тем же, а количество возможных микроскопических процессов растет из-за Андреевского отражения. В результате число неизвестных оказывается больше числа доступных измерений. В такой ситуации определения электропроводности, каким бы точным и детальным ни было ее измерение, уже недостаточно, и экспериментатору требуется дополнительная информация», – подчеркнул заведующий лабораторией электронной кинетики Института физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН, кандидат физико-математических наук Вадим Храпай.
Для быстро развивающейся области квантовых технологий, в которых гибридные сверхпроводниковые устройства рассматриваются как базовый инструмент, такая методологическая четкость важна не меньше, чем новые измерения.
Ссылки:
[1] E.S. Tikhonov, V.S. Khrapai. Conductance measurements cannot distinguish crossed Andreev reflection from elastic co-tunnelling in normal–superconductor–normal junctions. Nature Physics (Matters arising), 2026, https://doi.org/10.1038/s41567-026-03377-2[2] J. Feng, H. F. Legg, M. Bagchi, D. Loss, J. Klinovaja, Y. Ando. Long-range crossed Andreev reflection in a topological insulator nanowire proximitized by a superconductor. Nature Physics 21, 708–715 (2025). https://doi.org/10.1038/s41567-025-02806-y;
[3] A.O. Denisov и др. Charge-neutral nonlocal response in superconductor–InAs nanowire hybrid devices. Semicond. Sci. Technol. 36, 09LT04 (2021). https://doi.org/10.1088/1361-6641/ac187b;
[4] A. Denisov и др. Heat-mode excitation in a proximity superconductor. Nanomaterials 12, 1461 (2022). https://doi.org/10.3390/nano12091461