物理學家首次通過實驗證明，來自超導體的一對糾纏的電子的兩個自旋之間存在著負相關。在他們的研究中，研究人員使用了由納米磁體和量子點製成的自旋過濾器。量子物理學中的一些現象，如兩個粒子之間的糾纏，很難與日常經驗相協調。如果糾纏在一起，兩個粒子的某些屬性就會緊密相連，即使相距很遠。

這種奇怪的行為是阿爾伯特-愛因斯坦將糾纏描述為”遠距離的幽靈行動”的原因。雖然它很奇怪，但它是一個重要的現象。事實上，關於光粒子（光子）之間的糾纏的研究還被授予今年的諾貝爾物理學獎。

兩個電子也可以糾纏在一起–例如在它們的自旋上。在超導體中，電子形成所謂的庫珀對，負責產生無損的電流，其中的各個自旋是糾纏在一起的。

幾年來，瑞士納米科學研究所和巴塞爾大學物理系的研究人員已經能夠從超導體中提取電子對，並在空間上分離這兩個電子。這是通過兩個量子點–平行連接的納米電子結構實現的，每個量子點只允許單一電子通過。

電子離開（傳統）超導體（S）時只能是成對的，而且只能有相反的自旋（箭頭向上或向下，紅色或藍色）。如果兩個電子的路徑都被平行自旋過濾器（這里為自旋向下（藍色））阻斷，原則上自旋向上（紅色）的單個電子可以出去，但來自超導體的成對電子被阻斷，這在理想情況下會抑制兩種電流。資料來源：巴塞爾大學物理系，Scixel

Christian Schönenberger教授和Andreas Baumgartner博士的團隊與來自Istituto Nanoscienz-CNR和比薩Scuola Normale Superiore的Lucia Sorba教授領導的研究人員合作，現在已經能夠在實驗中早已被預期的理論：來自超導體的電子總是以一對相反的自旋出現。他們今天（11月23日）在科學雜誌《自然》上報告了他們的發現。

使用一個創新的實驗裝置，物理學家們能夠測量出當一個電子的自旋向下時，另一個電子的自旋是向上的，反之亦然。項目負責人安德烈亞斯-鮑姆加特納解釋說：”我們因此在實驗中證明了成對電子的自旋之間的負相關關係。”

研究人員通過使用他們在實驗室中開發的自旋過濾器實現了這一點。利用微小的磁鐵，他們在兩個量子點中的每一個產生了單獨可調的磁場，將庫珀對電子分開。由於自旋也決定了電子的磁矩，所以每次只允許一種特定類型的自旋通過。

與平行自旋過濾器相反，對於反平行自旋過濾器，電子對被允許離開超導體，這可以被檢測為在兩個路徑上的電流明顯增強。資料來源：巴塞爾大學物理系，Scixel

“我們可以調整這兩個量子點，以便主要讓具有某種自旋的電子通過它們，”第一作者Arunav Bordoloi博士解釋說。”例如，自旋向上的電子通過一個量子點，自旋向下的電子通過另一個量子點，或者反之亦然。如果兩個量子點都被設定為只通過相同的自旋，那麼兩個量子點中的電流就會減少，儘管單個電子很可能通過一個量子點。”

“通過這種方法，我們能夠首次從超導體中檢測到電子自旋之間的這種負相關關係，”Andreas Baumgartner總結道。”我們的實驗是第一步，但還不是電子自旋糾纏的明確證明，因為我們不能任意設置自旋過濾器的方向，但我們正在努力。”

這項研究最近發表在《自然》雜誌上，被認為是朝著進一步實驗調查量子力學現象邁出的重要一步，例如固體中粒子的糾纏，這也是量子計算機的一個關鍵組成部分。