Ny kvanteenhed, der skal understøtte målestandarder for den elektriske strøm

Et internationalt samarbejde, herunder forskere fra National Physical Laboratory (NPL) og Royal Holloway, University of London, har med succes demonstreret en kvantesammenhængende effekt i en ny kvanteenhed fremstillet af kontinuerlig superledende ledning - Charge Quantum Interference Device (CQUID).

Denne forskning er en vigtig milepæl mod en robust ny kvantestandard for elektrisk strøm, og kunne være i stand til at sprede den nye definition af ampere, som forventes at blive besluttet af det globale målesamfund som en del af omdefinitionen af ​​det internationale enhedssystem (SI) senere på året.

Som rapporteret i Naturfysik , enheden virker på den modsatte måde til den bedre kendte superledende kvanteinterferensanordning (SQUID), bruges som en ultrafølsom sensor til magnetisme. I stedet for at mærke et magnetfelt via dets indflydelse på strømmen (bevægelig ladning) som en SQUID, CQUID virker tilsyneladende på den modsatte måde, føler ladning som et resultat af kvanteinterferens på grund af strømmen af ​​magnetisk flux.

Udviklet gennem de sidste årtier, SQUID er ofte blevet brugt på en række områder, fra medicinsk billeddannelse, geologisk prospektering til sensorer af gravitationsbølger. Med yderligere forskning, det er forudset, at CQUID også vil have en lignende bred vifte af applikationer i fremtiden.

CQUID demonstrerer, for første gang, interferens af sammenhængende kvantefaseglider (CQPS) i en enhed, der består af mere end et CQPS -kryds. Dette grundlæggende kvantekredsløbselement er det dobbelte og modsatte af Josephson -krydset - baseret på den nobelprisvindende Josephson -effekt - og understreger CQUID's potentiale.

CQPS-krydset realiseres i kredsløbet ved at indlejre en superledende nanotråd i et elektrisk miljø med meget høj impedans. Teamet kiggede på state-of-the-art nanofabrikationsteknologier for at demonstrere enheden i praksis. En superledende film fremstillet af niobiumnitrid med en total tykkelse på kun 3,3 nanometer blev afsat ét atomlag ad gangen. Filmen blev derefter mønstret i smalle tråde, der kun var et par nanometer brede.

Sebastian de Graaf, Seniorforsker ved NPL og hovedforsker ved undersøgelsen sagde:

"Dualiteten mellem CQUID- og SQUID -enhederne stammer fra det grundlæggende forhold mellem ladning og fase i kvantemekanik, muliggjort i disse enheder med superledende materialer. Vi kan tænke på det som ladningen og magnetisk flux, eller selve superlederen og vakuumet (isolatoren) omkring den, pludselig har de modsatte roller.

"Dette åbner potentialet for en ny bred vifte af teknologier, med de udvekslede roller af elektrisk strøm og spænding i et CQPS -kredsløb sammenlignet med et Josephson -kryds, fører til en lige så præcis og robust standard for strøm som den grundlæggende kvantestandard for spænding, som i dag realiseres ved arrays af Josephson -kryds. "

Oleg Astafiev, Professor i fysik ved Royal Holloway, University of London, og gæsteprofessor på NPL, konkluderer:

"Resultaterne viser også, at de materialer, vi bruger, nu kan laves med høj nok præcision og reproducerbarhed til at muliggøre flere, nominelt ens, CQPS -kryds i den samme enhed. Dette har været meget udfordrende tidligere, men med moderne nanofabrikationsteknologier er dette nu blevet muligt. Dette er meget lovende for udviklingen af ​​sensorer og metrologi, der er dobbelt så meget som det, der allerede findes i dag baseret på Josephson -krydset. "