Een internationale samenwerking, waaronder onderzoekers van het National Physical Laboratory (NPL) en Royal Holloway, Universiteit van Londen, heeft met succes een kwantumcoherent effect aangetoond in een nieuw kwantumapparaat gemaakt van continue supergeleidende draad - het Charge Quantum Interference Device (CQUID).

Dit onderzoek is een belangrijke mijlpaal op weg naar een robuuste nieuwe kwantumstandaard voor de elektrische stroom, en in staat zou kunnen zijn de nieuwe definitie van de ampère te verspreiden, waarover naar verwachting later dit jaar een besluit zal worden genomen door de wereldwijde meetgemeenschap als onderdeel van de herdefiniëring van het internationale systeem van eenheden (SI).

Zoals gemeld in Natuurfysica , het apparaat werkt op de tegenovergestelde manier van het bekendere supergeleidende kwantuminterferentieapparaat (SQUID), gebruikt als een ultragevoelige sensor voor magnetisme. In plaats van een magnetisch veld te voelen via zijn invloed op de stroom (bewegende lading) zoals een SQUID, de CQUID werkt schijnbaar in tegengestelde richting, het detecteren van lading als gevolg van kwantuminterferentie als gevolg van de stroom van magnetische flux.

Ontwikkeld in de afgelopen decennia, de SQUID is algemeen gebruikt op verschillende gebieden, van medische beeldvorming, geologische prospectie naar sensoren van zwaartekrachtgolven. Met verder onderzoek, het is de bedoeling dat de CQUID in de toekomst ook een vergelijkbaar breed scala aan toepassingen zal hebben.

De CQUID toont aan, Voor de eerste keer, interferentie van coherente kwantumfaseverschuivingen (CQPS) in een apparaat dat uit meer dan één CQPS-knooppunt bestaat. Dit fundamentele kwantumcircuitelement is het dubbele en tegengestelde van de Josephson-junctie - gebaseerd op het Nobelprijswinnende Josephson-effect - en onderstreept het potentieel van de CQUID.

De CQPS-junctie wordt in het circuit gerealiseerd door een supergeleidende nanodraad in te bedden in een elektrische omgeving met zeer hoge impedantie. Het team keek naar de modernste nanofabricagetechnologieën om het apparaat in de praktijk te demonstreren. Een supergeleidende film gemaakt van niobiumnitride met een totale dikte van slechts 3,3 nanometer werd atomaire laag per keer afgezet. De film werd vervolgens gevormd tot smalle draden van slechts enkele nanometers breed.

Sebastiaan de Graaf, Senior onderzoeker bij NPL en hoofdwetenschapper van de studie zei:

"De dualiteit tussen de CQUID- en SQUID-apparaten komt voort uit de fundamentele relatie tussen lading en fase in de kwantummechanica, mogelijk gemaakt in deze apparaten met supergeleidende materialen. We kunnen het zien als de lading en magnetische flux, of de supergeleider zelf en het vacuüm (isolator) eromheen, opeens de tegenovergestelde rollen.

"Dit opent het potentieel voor een nieuw breed scala aan technologieën, met de verwisselde rollen van elektrische stroom en spanning in een CQPS-circuit in vergelijking met een Josephson-junctie, leidend naar een even nauwkeurige en robuuste standaard voor stroom als de fundamentele kwantumstandaard voor spanning, die vandaag wordt gerealiseerd door arrays van Josephson-knooppunten."

Oleg Astafjev, Hoogleraar natuurkunde aan Royal Holloway, Universiteit van Londen, en gasthoogleraar bij NPL, concludeert:

"De resultaten laten ook zien dat de materialen die we gebruiken nu met voldoende precisie en reproduceerbaarheid kunnen worden gemaakt om meerdere, nominaal vergelijkbaar, CQPS-knooppunten in hetzelfde apparaat. Dit was in het verleden een hele uitdaging, maar met moderne nanofabricagetechnologieën is dit nu mogelijk geworden. Dit is veelbelovend voor de ontwikkeling van sensoren en metrologie die tweeledig is met wat nu al bestaat op basis van het Josephson-knooppunt."