1770329968
2026-02-05 22:09:00
Ученые уже давно пытаются понять, как сверхпроводимость поддерживает когерентность на значительных расстояниях, что является решающим фактором для разработки передовых квантовых технологий. Си Ван, Асбьёрн К.С. Драхманн (Институт Нильса Бора, Копенгагенский университет) и Кэндис Томас (Университет Пердью) и др. теперь представляют прямое изображение фазовой когерентности на больших расстояниях внутри массива гибридных джозефсоновских переходов, показывая, как это деликатное состояние реагирует на внешние магнитные поля. Их исследования с использованием сканирующей СКВИД-микроскопии демонстрируют появление периодических структур и крупномасштабную фрагментацию когерентности при минимальном приложенном потоке. Эта работа представляет собой первое прямое измерение дальней когерентности в таком массиве, предлагая жизненно важное понимание поведения сложных сверхпроводящих состояний и прокладывая путь для улучшения конструкции сверхпроводящих устройств.
Эта работа подробно описывает, как когерентность сверхпроводимости определяется взаимодействием между локальным спариванием и макроскопической когерентностью, раскрывая понимание ее подавления вблизи квантового фазового перехода.
Исследователи использовали сканирующий СКВИД-микроскоп для изображения локальной восприимчивости внутри массива гибридных джозефсоновских переходов, одновременно получая доступ как к амплитудной, так и к пространственной структуре чувствительных сверхпроводящих состояний. В исследовании использовалась квадратная решетка узких сверхпроводящих островков, что позволяло одновременно получить доступ как к амплитудной, так и к пространственной фазовой структуре этих чувствительных состояний.
Периодические фазовые структуры наблюдались при соразмерных магнитных заполнениях, демонстрируя высокую степень порядка внутри системы. Примечательно, что дальняя когерентность оказалась наиболее сильной при нулевом приложенном магнитном поле, что указывает на оптимальное сверхпроводящее поведение в этих условиях. При приложении небольшого магнитного поля, составляющего менее одного процента кванта потока на элементарную ячейку, система фрагментировалась на большие области постоянной сверхпроводящей фазы, обнаруживая сложное взаимодействие между когерентностью и внешним влиянием.
Чтобы продемонстрировать чувствительность своего метода, исследователи сначала измерили непрерывную ниобиевую сверхпроводящую сетку. Ниже критической температуры статический магнитный ландшафт демонстрировал квантованный поток, захваченный внутри ячеек сетки. Карта восприимчивости выявила однородный диамагнитный отклик по всей сетке, что указывает на однородную жесткость сверхпроводящей фазы.
Введение слабых связей в сеть вблизи критической температуры нарушило непрерывность сверхпроводимости, что привело к значительному снижению сигнала и продемонстрировало влияние этих нарушений на фазовую когерентность. Дальнейшее исследование гибридной матрицы джозефсоновских переходов выявило организованную шахматную фазовую структуру при целочисленных и дробных заполнениях элементарной ячейки, что соответствует теоретическим предсказаниям.
Приложение небольшого, но конечного магнитного поля привело к тому, что массив разбился на пространственно-фазово-когерентные области, определяя конкретные переходы, в которых сверхпроводящая фаза оставалась постоянной. Эти измерения обеспечивают визуализацию фазовой когерентности и ее систематического подавления с высоким разрешением, предлагая детальное понимание основных механизмов, управляющих сверхпроводимостью в этих сложных системах. Это достижение открывает путь для будущих сканирующих СКВИД-измерений на гибридных матрицах джозефсоновских переходов и разработки новых сверхпроводниковых устройств.
Измерения суссептометрии и восприимчивости гибридных массивов джозефсоновских переходов выявили сложные магнитные отклики.
Сканирующая сусцептометрия СКВИДа лежит в основе этой работы, позволяя получать изображения локальной восприимчивости с высоким разрешением внутри гибридной матрицы джозефсоновских переходов. Планарный СКВИД, состоящий из приемной петли диаметром 1,5 мкм и полевой катушки диаметром 8 мкм для образца сетки, а также приемной петли диаметром 1,5 мкм с полевой катушкой диаметром 6 мкм для матрицы джозефсоновских переходов, использовался для сканирования сверхпроводящего ландшафта образцов.
СКВИД измеряет статический магнитный поток, как показано на рисунках, на которые есть ссылки в исследовании, и одновременно регистрирует локальную восприимчивость, пропуская переменный ток через петлю срабатывания на частотах около килогерца. Это измерение восприимчивости, эквивалентное восприимчивости, показывает диамагнитный отклик материала на переменный ток.
Находясь над проводами сетки, СКВИД обнаруживает сильные пики восприимчивости из-за локальных токов, экранирующих приложенное поле. И наоборот, над пустыми ячейками сетки появляется размытый пик по мере того, как экранирующие токи текут дальше от СКВИДа, демонстрируя структуру, непосредственно воспроизводящую физические размеры сетки.
Амплитуда измерения восприимчивости дает информацию о глубине проникновения: значение 180 /А, обнаруженное для пленки Nb толщиной 50 нм ниже ее критической температуры, соответствует глубине проникновения 47 нм. Изготовление образцов началось с нанесения непрерывной сетки Nb толщиной 50 нм на кремниевую подложку с помощью электронно-лучевого испарения в условиях сверхвысокого вакуума.
Эта сетка была создана с использованием стандартной фотолитографии и методов отрыва с помощью системы Heidelberg Instruments MLA 150. Гибридная матрица джозефсоновских переходов была изготовлена с использованием электронно-лучевой литографии на мелкой гетероструктуре с квантовыми ямами InAs, выращенной на InP и оканчивающейся 8-нм эпитаксиальным слоем Al. Меза размером 300 нм была вытравлена в гетероструктуру с последующим селективным удалением Al и созданием омических контактов Ti/Au для соединения.
Высокоточное травление Transene-D Al определило JJA на мезе, после чего последовало осаждение 15-нм гафния посредством осаждения атомного слоя и сетка затвора соединения Ti/Au 3/16 нм, выровненная по JJA. Электрическое соединение с затвором перехода было достигнуто с помощью пакета Ti/Au 10/390 нм, а второй слой гафния толщиной 15 нм был покрыт слоем Ti/Au 5/40 нм. Во время эксперимента оба затвора были закорочены и зафиксированы на уровне 0 В.
Количественная фазовая когерентность и квантование потока в массиве джозефсоновских переходов демонстрируют макроскопические квантовые явления.
Сканирование СКВИД-изображений выявляет периодические фазовые структуры при соразмерных магнитных заполнениях внутри гибридной матрицы джозефсоновских переходов. Дальняя когерентность наиболее сильна при нулевом приложенном поле, при этом система демонстрирует фрагментацию на большие области постоянной сверхпроводящей фазы при воздействии полей, меньших, чем один процент кванта потока на элементарную ячейку.
Эта работа представляет собой первое прямое измерение дальней фазовой когерентности в такой решетке. Измерения, проведенные на непрерывной ниобиевой сверхпроводящей сетке при температуре ниже ее критической температуры, демонстрируют квантованный поток, захваченный внутри ячеек сетки. Коэффициент заполнения, определяемый средним квантом потока на ячейку, контролируется внешним магнитным полем, приложенным во время охлаждения.
При коэффициенте заполнения -0,2 двадцать процентов ячеек имеют один квантовый уровень потока ниже, чем остальные ячейки. Эти наблюдения подтверждают чувствительность сканирующего СКВИДа к сверхпроводящей фазовой когерентности. Дальнейшие исследования были сосредоточены на гибридной матрице джозефсоновских переходов, показавшей максимальную фазовую когерентность при нулевом магнитном поле.
Приложение небольшого, но конечного магнитного поля вызывало фрагментацию массива на пространственно-фазово-когерентные области, где длина когерентности превышает длину когерентности ξ. Эти области идентифицируют конкретные соединения, поддерживая фазовую когерентность между ними. Исследование выявило организованную шахматную фазовую структуру при целочисленных и дробных заполнениях элементарной ячейки, что соответствует теоретическим предсказаниям.
Была достигнута визуализация фазовой когерентности и ее подавления с высоким разрешением, что позволило получить детальное представление о поведении фазы на больших расстояниях внутри массива джозефсоновских переходов. Измерения локальной восприимчивости восстановили информацию о пространственной фазе даже тогда, когда фазовая жесткость была чрезвычайно малой, что позволило детально отобразить сверхпроводящее состояние.
Визуализация пространственной когерентности и формирования вихрей в массиве джозефсоновских переходов обнаруживает сложную динамику
Взаимодействие между локальным спариванием и макроскопической когерентностью определяет сверхпроводящее состояние, а недавняя работа напрямую измеряет когерентность на больших расстояниях внутри массива джозефсоновских переходов. Используя сканирующее сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство, исследователи изобразили локальную восприимчивость гибридного массива, одновременно определяя как амплитуду, так и пространственную структуру его сверхпроводящих состояний.
Наблюдения показывают периодические закономерности при определенной напряженности магнитного поля, при этом самая сильная дальнодействующая когерентность возникает при нулевом приложенном поле. При приложении небольшого магнитного поля система фрагментируется на значительные области, демонстрирующие постоянную сверхпроводимость, демонстрируя, как массивы джозефсоновских переходов имитируют поведение сверхпроводника.
Количество несверхпроводящих областей увеличивается с увеличением магнитного поля, отражая поведение вихрей. Это исследование устанавливает возможность прямого изображения локальной восприимчивости, обеспечивая подробную карту фазовой когерентности даже в слабосверхпроводящих материалах, причем сигналы значительно слабее, чем сигналы от полностью сверхпроводящих пленок.
Дальнейшие исследования также будут посвящены изучению инициирования проскальзывания фаз внутри массива с использованием полевой катушки сканирующего СКВИДа и разработки сложной геометрии решетки для потенциального размещения нетрадиционных фаз и топологически защищенных кубитов. Эти результаты показывают, что гибридные матрицы джозефсоновских переходов представляют собой легко настраиваемую модельную систему, а сканирующая сусцептометрия СКВИДа служит мощным инструментом для исследования их хрупкой фазовой когерентности.
#Сверхпроводящие #фрагменты #показывают #как #поддерживать #квантовую #когерентность #больших #масштабах
По теме
