Een experimentele ontdekking van een fundamenteel natuurkundig fenomeen is niet iets dat vaak gebeurt. Toch is dit wat Skoltech-onderzoekers en hun Europese collega's onlangs hebben gedaan:in hun paper in Nature , rapporteren ze de experimentele demonstratie van het zogenaamde AC coherente kwantumfase-slipeffect. Het houdt een belofte in die vergelijkbaar is met die van het Josephson-effect, dat ten grondslag ligt aan de huidige standaard van spannings- en ultragevoelige magnetische veldsensoren.

Het AC coherente kwantumfase-slip effect manifesteert zich als een stappenpatroon in de elektrische stroom die door supergeleidende nanodraden vloeit die zijn blootgesteld aan microgolven. De nanodraad dient als een tunnelbarrière voor de magnetische fluxquanta, vergelijkbaar met hoe een dunne laag isolator tussen twee supergeleiders - bekend als een Josephson-overgang - dient als een tunnelbarrière voor elektrische ladingen. (In 1962 voorspeld door de Britse wetenschapper Brian Josephson en naar hem vernoemd, leverde het knooppunt Josephson in 1973 de Nobelprijs voor natuurkunde op.)

Vanuit het perspectief van de klassieke natuurkunde is een Josephson-junctie niet anders dan een stroomonderbreking. Door het kwantummechanische tunneleffect kan de stroom er echter zonder weerstand doorheen stromen. Evenzo, hoewel de klassieke fysica niet toestaat dat magnetische stroming de nanodraadbarrière zou "springen", kan het toch dwars door de wetten van de kwantumfysica tunnelen.

Het AC coherente kwantumfase-slip-effect zou evenveel potentieel kunnen hebben als het Josephson-effect. Dit laatste werd de basis van ultragevoelige magneetveldsensoren, die onder meer worden gebruikt om de zeer zwakke magnetische velden in de hersenen te detecteren. Een andere toepassing van Josephson-juncties heeft te maken met het feit dat, onder blootstelling aan microgolven, de stroom die door de junctie vloeit, spanningsstappen kan vertonen in plaats van op een soepele manier te veranderen.

Deze zogenaamde Shapiro-stappen liggen ten grondslag aan kwantummetrologie:de huidige standaard van 1 volt is gebaseerd op apparaten met Josephson-juncties in plaats van op een chemische referentieaccu die is ondergebracht in een kantoor met maten en gewichten. Evenzo zou het AC coherente kwantumfase-slip-effect de basis kunnen zijn voor een kwantumstandaard van 1 ampère. "Dit maakt ongekende precisie mogelijk, omdat bij beide effecten de stapgrootte wordt bepaald door fundamentele natuurwetten. Gezien supergeleiding is het op geen enkele manier afhankelijk van de externe omstandigheden of materialen die op enigerlei wijze worden gebruikt", hoofdonderzoeker van het onderzoek, professor Oleg Astafiev van Skoltech, becommentarieerd.

In hun studie in Natuur , rapporteert de onderzoeksgroep van Skoltech onder leiding van Astafiev - die ook aan het hoofd staat van het Artificial Quantum Systems Lab bij MIPT - waarnemingen van het AC coherente kwantumfase-slip-effect, een van de weinige overgebleven fundamentele fysieke effecten van supergeleiding die theoretisch voorspeld maar niet experimenteel waren realiseerde. Het manifesteert zich als omgekeerde of dubbele Shapiro-stappen in supergeleidende nanodraden, waarvan de stroom-spanningsgrafieken stroomstappen vertonen als de spanning wordt gevarieerd. Dit is analoog aan de spanningsstappen in het al lang bekende Shapiro-effect in Josephson-juncties.

Al in de jaren '90 voorspeld door de Sovjet-fysici Konstantin Likharev, Alexander Zorin en Dmitri Averin van de Lomonosov Moscow State University, zijn dergelijke huidige stappen tot nu toe aan experimentele observatie ontsnapt. In de recente studie hanteerde de internationale onderzoeksgroep onder leiding van Astafiev een nieuwe benadering. Cruciaal voor het succes van het experiment was het nanodraadmateriaal dat ze kozen - dunne films van niobiumnitride - evenals een vrij eigenaardig circuitontwerp:de onderzoekers plaatsten inductieve componenten van micronformaat, ook gemaakt van niobiumnitride, naast de nanodraad.

De observatie van omgekeerde Shapiro-stappen bevestigt meer dan het bestaan ​​van dit fundamentele fysieke fenomeen. Het experiment legt ook de basis voor het creëren van nieuwe apparaten die nuttig zijn voor fundamenteel onderzoek, metrologische standaardontwikkeling en andere technologische toepassingen. + Verder verkennen

Onderzoekers meten een signatuur van supergeleidende interferentie op atomaire schaal