Fundamental effekt af superlederfysik observeret 30 år efter, at den blev forudsagt

En eksperimentel opdagelse af et grundlæggende fysisk fænomen er ikke noget, der sker ofte. Alligevel er det, hvad Skoltech-forskere og deres europæiske kolleger for nylig formåede at gøre:I deres papir i Nature , rapporterer de om den eksperimentelle demonstration af den såkaldte AC-kohærente kvantefase-slip-effekt. Det lover, der kan sammenlignes med Josephson-effekten, som ligger til grund for den nuværende standard for spændings- og ultrafølsomme magnetfeltsensorer.

AC kohærent kvantefase-slip-effekt manifesterer sig som et trinmønster i den elektriske strøm, der strømmer gennem superledende nanotråde udsat for mikrobølger. Nanotråden tjener som en tunnelbarriere for de magnetiske fluxkvanter, på samme måde som et tyndt lag isolator mellem to superledere - kendt som et Josephson-kryds - fungerer som en tunnelbarriere for elektriske ladninger. (Forudsagt i 1962 af den britiske videnskabsmand Brian Josephson og navngivet til hans ære, Josephson-krydset gav ham 1973 Nobelprisen i fysik.)

Fra klassisk fysiks perspektiv er et Josephson-kryds ikke anderledes end et kredsløbsbrud. Men på grund af den kvantemekaniske tunneleffekt kan strømmen strømme lige igennem uden nogen modstand. På samme måde, mens klassisk fysik ikke tillader, at magnetisk flow skal "springe" nanotrådsbarrieren, kan den alligevel tunnelere igennem takket være kvantefysikkens love.

AC-kohærent kvantefase-slip-effekt kunne have lige så meget potentiale som Josephson-effekten. Sidstnævnte kom til at være grundlaget for ultrafølsomme magnetfeltsensorer, der blandt andet bruges til at detektere de meget svage magnetfelter, der genereres i hjernen. En anden anvendelse af Josephson junctions har at gøre med det faktum, at under mikrobølgeeksponering kan strøm, der flyder gennem krydset, udvise spændings-"trin" i stedet for at ændre sig på en jævn måde.

Disse såkaldte Shapiro-trin ligger til grund for kvantemetrologi:Den nuværende standard på 1 volt er afhængig af enheder med Josephson-forbindelser i stedet for en referencekemisk akkumulator, der er anbragt på et kontor med vægte og mål. På samme måde kunne AC kohærent kvantefaseglidningseffekt være grundlaget for en kvantestandard på 1 ampere. "Dette muliggør en hidtil uset præcision, for med begge disse effekter er trinstørrelsen bestemt af fundamentale naturlove. Givet superledning afhænger det ikke af de ydre forhold eller materialer, der bruges på nogen måde," undersøgelsens hovedforsker, professor Oleg Astafiev fra Skoltech, kommenterede.

I deres undersøgelse i Nature , rapporterer forskergruppen fra Skoltech ledet af Astafiev - som også leder Artificial Quantum Systems Lab ved MIPT - observationer af AC kohærent kvantefase-slip-effekt, en af ​​de få tilbageværende fundamentale fysiske effekter af superledning, der var teoretisk forudsagt, men ikke eksperimentelt gik op for. Det manifesterer sig som omvendte eller dobbelte Shapiro-trin i superledende nanotråde, hvis strøm-spændingsplot viser strømtrin, når spændingen varieres. Dette er analogt med spændingstrinene i den længe kendte Shapiro-effekt i Josephson-kryds.

Forudsagt så tidligt som i 90'erne af de sovjetiske fysikere Konstantin Likharev, Alexander Zorin og Dmitri Averin fra Lomonosov Moscow State University, har sådanne nuværende skridt indtil nu unddraget sig eksperimentel observation. I den nylige undersøgelse anvendte den internationale forskergruppe ledet af Astafiev en ny tilgang. Afgørende for eksperimentets succes var det nanotrådsmateriale, de valgte - tynde film af niobiumnitrid - samt et ret ejendommeligt kredsløbsdesign:Forskerne afsatte induktive komponenter i mikronstørrelse, også lavet af niobiumnitrid, ved siden af ​​nanotråden.

Observationen af ​​omvendte Shapiro-trin gør mere end at bekræfte eksistensen af ​​dette grundlæggende fysiske fænomen. Eksperimentet lægger også grundlaget for at skabe nye enheder, der er nyttige til grundlæggende forskning, metrologisk standardudvikling og andre teknologiske anvendelser. + Udforsk yderligere

Forskere måler en signatur af superledende interferens på atomær skala