Reënten superconductiviteit in een natuurlijk voorkomende Josephson-koppelingenarray afgestemd met radiofrequentievermogen

Elektrische stromen die vloeien zonder duwtje

Meestal gaat elektriciteit die door een draad loopt verloren als warmte. Supergeleiders zijn bijzondere materialen waarbij stroom zonder dat verlies kan vloeien, maar ze functioneren doorgaans alleen onder strikte voorwaarden van lage temperatuur en lage magnetische velden. Deze studie onderzoekt een ongebruikelijke variant van dit gedrag, waarbij een supergeleider lijkt uit te schakelen en daarna weer aan te gaan als de omstandigheden veranderen, en daarbij rijke, verborgen fysica blootlegt die kan helpen bij het ontwerpen van toekomstige kwantumapparaten.

Een eenvoudig materiaal met een verborgen netwerk

De onderzoekers richten zich op korrelig aluminium, een dunne film bestaande uit talloze kleine superconductende metaalgrains gescheiden door dunne isolerende barrières. Samen vormen deze grains een natuurlijk netwerk van zwakke schakels voor elektronen, bekend bij natuurkundigen als een Josephson-koppelingenarray. Hoewel elke schakel eenvoudig is, kan het gehele netwerk complex collectief gedrag vertonen. Korrelig aluminium is aantrekkelijk omdat de grains extreem klein zijn, wat kwantumeffecten versterkt en de wetenschappers in staat stelt te regelen hoe gemakkelijk elektronen tussen grains bewegen.

Radiogolven gebruiken als draaiknop

In plaats van het materiaal telkens opnieuw te maken om zijn eigenschappen te veranderen, gebruikte het team radiofrequentievermogen als afstandsbediening. Ze stuurden een radiosignaal door het apparaat terwijl ze ook een kleine gelijkstroom lieten lopen en temperatuur en magnetisch veld aanpasten. Door het radiovevermogen geleidelijk te verhogen, konden ze het systeem van een vloeiende, volledig superconductende toestand naar een isolerende toestand duwen, waarin stroom sterk wordt geblokkeerd en de weerstand tien keer hoger wordt dan in de gewone, niet-superconductende metalen toestand. Bij lage temperaturen zagen ze ook grote plateaus in de spanning bij variatie van de stroom, bekend als gigantische Shapiro‑stappen, die laten zien dat veel zwakke schakels in het netwerk gezamenlijk werken als één goed gecoördineerde koppeling.

Een supergeleider die vertrekt en terugkeert

Het meest opvallende effect trad op toen het team in kaart bracht hoe de weerstand veranderde met zowel temperatuur als radiovevermogen. Bij een bepaald radiovevermogen is het materiaal bij zeer lage temperatuur eerst superconductend, wordt het bij oplopende temperatuur isolerend, en wordt het dan, verrassend genoeg, opnieuw superconductend bij een hogere temperatuur voordat het uiteindelijk in een normaal metaal verandert. Met andere woorden, de perfecte geleiding verdwijnt, verschijnt opnieuw en verdwijnt weer terwijl het monster opwarmt. Een vergelijkbare terugkeer van superconductiviteit doet zich ook voor wanneer onder de juiste omstandigheden een magnetisch veld wordt aangelegd.

Veel deeltjes die samen handelen

Om deze raadselachtige terugkeer van superconductiviteit te begrijpen, vergelijken de auteurs hun bevindingen met een theoretisch beeld dat is ontwikkeld voor netwerken van zwakke schakels. In dat beeld speelt niet alleen de doorlaatbaarheid tussen grains een rol, maar ook hoe sterk elektrische lading op elk grain vergrendeld zit. Bij hogere temperaturen kunnen mobiele geladen deeltjes in de array de afstoting tussen ladingen afschermen of verzachten, waardoor de straf voor het verplaatsen van lading tussen grains effectief afneemt. Hoewel hogere temperatuur normaal gesproken schadelijk is voor superconductiviteit, kan het in dit netwerk juist de cooperatieve toestand bevorderen door deze vergrendeling te verminderen. Dit gedrag van veel deeltjes gaat verder dan wat een enkele zwakke schakel kan laten zien.

Waarom dit van belang is voor toekomstige technologie

De metingen en modellering samen tonen aan dat een ogenschijnlijk eenvoudig korrelig metaal kan fungeren als een bestuurbare speelplaats voor complexe kwantumtoestanden. Door radiovermogen, temperatuur en magnetisch veld aan te passen, kan hetzelfde apparaat worden geschakeld tussen een stijve superconductende toestand, een isolerende toestand gedomineerd door kwantumfluctuaties, en een reënten superconductieve toestand gedreven door veel-deeltjesafscherming. Deze veelzijdigheid suggereert dat korrelige supergeleiders kunnen dienen als bouwstenen voor nieuwe kwantumcircuits en als modelsystemen om te onderzoeken hoe grote netwerken van kwantumelementen onverwacht collectief gedrag voortbrengen.

Bronvermelding: Avraham, S., Sankar, S., Sandik, S. et al. Reentrant superconductivity in a naturally occurring Josephson junction array tuned by radio-frequency power. Nat Commun 17, 4734 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71256-8

Trefwoorden: reënten superconductiviteit, korrelig aluminium, Josephson-koppelingenarray, afstemming met radiofrequentie, kwantumfasedoorgang

Bekijk meer op de website van de onderzoeksgroep: https://daganlab.sites.tau.ac.il/