Reentracyjna nadprzewodność w naturalnie występującej sieci złączy Josephsona dostrajanej mocą radiową

Prądy elektryczne, które płyną bez popychu

Na co dzień prąd płynący przez przewód traci energię na ciepło. Nadprzewodniki to szczególne materiały, w których prąd może płynąć bez takich strat, ale zwykle działają tylko w bardzo restrykcyjnych warunkach niskiej temperatury i słabego pola magnetycznego. W tym badaniu przyglądamy się nietypowemu wariantowi tego zachowania, gdzie nadprzewodnik zdaje się najpierw wyłączać, a potem znów włączać w miarę zmiany warunków, odsłaniając bogatą, ukrytą fizykę, która może pomóc w projektowaniu przyszłych urządzeń kwantowych.

Prosty materiał z ukrytą siecią

Naukowcy skupili się na granulowanym aluminium — cienkiej warstwie złożonej z niezliczonych, małych nadprzewodzących ziaren oddzielonych cienkimi barierami izolującymi. Razem te ziarna tworzą naturalną sieć słabych połączeń dla elektronów, znaną fizykom jako sieć złączy Josephsona. Choć każde połączenie jest proste, cała sieć może wykazywać złożone zachowania kolektywne. Granulowane aluminium jest atrakcyjne, ponieważ jego ziarna są niezwykle małe, co wzmacnia efekty kwantowe i pozwala badaczom regulować, jak łatwo elektrony przemieszczają się między ziarnami.

Użycie fal radiowych jako pokrętła

Zamiast przekształcać materiał za każdym razem, gdy chcieli zmienić jego właściwości, zespół zastosował moc radiową jako pilot zdalnego sterowania. Wysłali sygnał radiowy przez urządzenie, równocześnie przepuszczając niewielki prąd stały i regulując temperaturę oraz pole magnetyczne. Stopniowo zwiększając moc radiową, mogli wypchnąć układ ze stanu gładko nadprzewodzącego do izolującego, w którym prąd jest silnie blokowany, a oporność staje się dziesięciokrotnie większa niż w zwykłym, nienadprzewodzącym stanie metalicznym. W niskich temperaturach zaobserwowali też szerokie płaskowyże w napięciu przy zmiennej wartości prądu, znane jako olbrzymie kroki Shapiro, które ujawniają, że wiele słabych ogniw w sieci działa synchronicznie jak pojedyncze, dobrze skoordynowane złącze.

Nadprzewodnik, który odchodzi i wraca

Najbardziej uderzający efekt pojawił się, gdy zespół odwzorował zmiany oporu w zależności od temperatury i mocy radiowej. Przy pewnej mocy radiowej materiał na bardzo niskiej temperaturze zaczyna jako nadprzewodnik, potem przy podnoszeniu temperatury staje się izolujący, a następnie, co zupełnie nieoczekiwane, ponownie przechodzi w stan nadprzewodzący przy wyższej temperaturze, zanim w końcu przejdzie w normalny metal. Innymi słowy, perfekcyjna przewodność znika, pojawia się ponownie, a potem znowu zanika w miarę ogrzewania próbki. Podobne przywrócenie nadprzewodnictwa obserwuje się też po zastosowaniu pola magnetycznego w odpowiednich warunkach.

Wiele cząstek działających razem

Aby zrozumieć to zagadkowe ponowne pojawienie się nadprzewodnictwa, autorzy porównują swoje wyniki z modelem teoretycznym opracowanym dla sieci słabych połączeń. W takim ujęciu ważna jest nie tylko łatwość przepływu prądu między ziarnami, lecz także to, jak silnie ładunek elektryczny jest związany na każdym ziarnie. Przy wyższych temperaturach ruchome cząstki naładowane w sieci mogą ekranować, czyli łagodzić, odpychanie między ładunkami, skutecznie obniżając koszt przeniesienia ładunku z ziarna na ziarno. Chociaż wyższa temperatura zwykle szkodzi nadprzewodnictwu, w tej sieci może rzeczywiście sprzyjać stanowi kolektywnemu poprzez zmniejszenie tego efektu blokowania. To zachowanie wielu cząstek wykracza poza możliwości pojedynczego słabego połączenia.

Dlaczego to ma znaczenie dla przyszłej technologii

Pomiary i modelowanie razem pokazują, że materiał wyglądający prosto — granulowany metal — może służyć jako sterowalne pole doświadczalne dla złożonych stanów kwantowych. Poprzez regulację mocy radiowej, temperatury i pola magnetycznego to samo urządzenie można przełączać między sztywnym stanem nadprzewodzącym, stanem izolującym zdominowanym przez fluktuacje kwantowe oraz reentracyjnym stanem nadprzewodzącym napędzanym przez ekranowanie wielu ciał. Ta wszechstronność sugeruje, że granulowane nadprzewodniki mogłyby służyć jako elementy budulcowe nowych obwodów kwantowych oraz jako modele do badania, jak duże sieci elementów kwantowych dają początek zaskakującemu zachowaniu kolektywnemu.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: reentracyjna nadprzewodność, granulowane aluminium, sieć złączy Josephsona, dostrajanie częstotliwością radiową, przejście fazowe kwantowe

Zobacz więcej na stronie internetowej zespołu badawczego: https://daganlab.sites.tau.ac.il/