超导体物理学在预测30年后观察到的基本效应

顶行：微波暴露下测得的电压与电流的关系。直流电通过纳米线的步长模式显然等于n乘以2ef。下图：电导率差分（直流电压与交流电压）显示步长模式为对应于n的整数值的光水平线。

对基本物理现象的实验发现并不经常发生。然而，这正是Skoltech研究人员和他们的欧洲同事最近设法做到的：在《自然》杂志上的论文中，他们报告了所谓的AC相干量子相滑效应的实验证明。它具有与约瑟夫森效应相媲美的前景，约瑟夫森效应是当今电压和超灵敏磁场传感器标准的基础。

AC相干量子相滑效应表现为电流流经暴露于微波的超导纳米线的阶梯模式。纳米线充当磁通量量子的隧道屏障，类似于两个超导体之间的薄层绝缘体 - 称为约瑟夫森结 - 如何用作电荷的隧道屏障。（1962年由英国科学家布莱恩·约瑟夫森（Brian Josephson）预测并以他的名字命名，约瑟夫森交界处为他赢得了1973年诺贝尔物理学奖。

从经典物理学的角度来看，约瑟夫森结与断路没有什么不同。然而，由于量子力学隧穿效应，电流可以直接流过而没有任何阻力。同样，虽然经典物理学不允许磁流“跳过”纳米线势垒，但由于量子物理学定律，它可以直接穿过隧道。

AC相干量子相滑效应可能具有与约瑟夫森效应一样大的潜力。后者成为超灵敏磁场传感器的基础，除其他外，用于检测大脑中产生的非常弱的磁场。约瑟夫森结的另一个应用与以下事实有关：在微波暴露经结的电流可以表现出电压“步进”，而不是以平滑的方式变化。

这些所谓的夏皮罗步骤是量子计量学的基础：当今的1伏标准依赖于具有约瑟夫森结的器件，而不是安装在度量衡办公室的参考化学蓄能器。同样，AC相干量子相滑效应可能是1安培量子标准的基础。“这实现了前所未有的精度，因为对于这两种效应，步长是由基本自然法则决定的。鉴于超导性，它不依赖于外部条件或以任何方式使用的材料，“该研究的首席研究员，Skoltech的Oleg Astafiev教授评论道。

在《自然》杂志的研究中，由Astafiev领导的Skoltech研究小组 - 他也是MIPT人工量子系统实验室的负责人 - 报告了AC相干量子相滑效应的观测结果，这是超导性为数不多的基本物理效应之一，理论上预测但未通过实验实现。它表现为超导纳米线中的反向或双Shapiro步进，其电流 - 电压图随着电压的变化而表现出电流步长。这类似于约瑟夫森结中众所周知的夏皮罗效应中的电压阶跃。

早在90年代，来自罗蒙诺索夫莫斯科国立大学的苏联物理学家康斯坦丁·利哈列夫（Konstantin Likharev）、亚历山大·佐林（Alexander Zorin）和德米特里·阿维林（Dmitri Averin）就预言了这些步骤，直到现在，这些步骤都未能进行实验观察。在最近的研究中，以Astafiev为首的国际研究小组采用了一种新颖的方法。实验成功的关键是他们选择的纳米线材料 - 氮化铌薄膜 - 以及相当奇特的电路设计：研究人员在纳米线旁边沉积了微米大小的电感元件，也是由氮化铌制成的。

对反向夏皮罗步进的观察不仅证实了这种基本物理现象的存在。该实验还为创造对基础研究，计量标准开发和其他技术应用有用的新型器件奠定了基础。

更多信息：Rais S. Shaikhaidarov等人，由于相干量子相滑效应引起的量子化电流步骤，Nature（2022）。DOI： 10.1038/s41586-022-04947-z

期刊信息：《自然》