En experimentell upptäckt av ett grundläggande fysiskt fenomen är inte något som händer ofta. Ändå är detta vad Skoltech-forskare och deras europeiska kollegor nyligen lyckades göra:I sin uppsats i Nature , rapporterar de den experimentella demonstrationen av den så kallade AC koherenta kvantfasglidningseffekten. Det lovar jämförbart med det för Josephson-effekten, som ligger till grund för dagens standard för spännings- och ultrakänsliga magnetfältssensorer.

AC koherenta kvantfasglidningseffekten manifesterar sig som ett stegmönster i den elektriska ström som flyter genom supraledande nanotrådar utsatta för mikrovågor. Nanotråden fungerar som en tunnelbarriär för de magnetiska flödeskvanterna, på samma sätt som ett tunt skikt av isolator mellan två supraledare – känd som en Josephson-övergång – fungerar som en tunnelbarriär för elektriska laddningar. (Förutspådd 1962 av den brittiske vetenskapsmannen Brian Josephson och namngiven till hans ära, Josephson-korsningen gav honom 1973 års Nobelpris i fysik.)

Ur klassisk fysiks perspektiv skiljer sig en Josephson-korsning inte från ett kretsbrott. Men på grund av den kvantmekaniska tunneleffekten kan ström flyta rakt igenom utan motstånd. På samma sätt, även om klassisk fysik inte tillåter att magnetiskt flöde ska "hoppa" nanotrådsbarriären, kan det ändå tunnla rakt igenom tack vare kvantfysikens lagar.

AC koherent quantum phase-slip-effekten kan ha lika stor potential som Josephson-effekten. Den senare kom att bli grunden för ultrakänsliga magnetfältssensorer, som bland annat användes för att upptäcka de mycket svaga magnetfält som genereras i hjärnan. En annan tillämpning av Josephson-övergångar har att göra med det faktum att under mikrovågsexponering kan ström som flyter genom korsningen uppvisa "spänningssteg" istället för att ändras på ett smidigt sätt.

Dessa så kallade Shapiro-steg ligger till grund för kvantmetrologi:Dagens standard på 1 volt förlitar sig på enheter med Josephson-kopplingar snarare än en referens kemisk ackumulator inrymd på ett kontor för vikter och mått. På samma sätt kan AC koherenta kvantfasglidningseffekten vara grunden för en kvantstandard på 1 ampere. "Detta möjliggör oöverträffad precision, för med båda dessa effekter bestäms stegstorleken av grundläggande naturlagar. Med tanke på supraledning beror det inte på de yttre förhållanden eller material som används på något sätt," studiens huvudutredare, professor Oleg Astafiev från Skoltech, kommenterade.

I deras studie i Nature , forskargruppen från Skoltech under ledning av Astafiev – som också leder Artificial Quantum Systems Lab vid MIPT – rapporterar observationer av AC koherenta kvantfasglidningseffekten, en av de få återstående grundläggande fysiska effekterna av supraledning som var teoretiskt förutspådda men inte experimentellt insett. Det manifesterar sig som omvända, eller dubbla, Shapiro-steg i supraledande nanotrådar, vars ström-spänningsdiagram uppvisar strömsteg när spänningen varieras. Detta är analogt med spänningsstegen i den sedan länge kända Shapiro-effekten i Josephson-korsningar.

Förutspådda redan på 90-talet av de sovjetiska fysikerna Konstantin Likharev, Alexander Zorin och Dmitri Averin från Lomonosov Moscow State University, har sådana aktuella steg hittills undgått experimentell observation. I den senaste studien använde den internationella forskargruppen som leds av Astafiev ett nytt tillvägagångssätt. Avgörande för framgången med experimentet var nanotrådsmaterialet de valde – tunna filmer av niobnitrid – samt en ganska märklig kretsdesign:Forskarna deponerade induktiva komponenter i mikronstorlek, även de gjorda av niobnitrid, bredvid nanotråden.

Observationen av omvända Shapiro-steg gör mer än att bekräfta existensen av detta grundläggande fysiska fenomen. Experimentet lägger också grunden för att skapa nya enheter användbara för grundläggande forskning, metrologisk standardutveckling och andra tekniska tillämpningar. + Utforska vidare

Forskare mäter en signatur av supraledande interferens på atomär skala