Реинтегрируемая сверхпроводимость в естественной сети джозефсоновских контактов, управляемая радиочастотной мощностью

Электрические токи, текущие без подталкивания

В большинстве случаев, когда электричество проходит по проводу, энергия теряется в виде тепла. Сверхпроводники — это особые материалы, где ток может течь без таких потерь, но они обычно работают лишь при очень жестких условиях низкой температуры и слабого магнитного поля. В этом исследовании рассматривается необычный поворот в этом поведении: сверхпроводник как бы выключается, а затем снова включается при изменении условий, раскрывая богатую скрытую физику, которая может помочь в разработке будущих квантовых устройств.

Простой материал с скрытой сетью

Авторы сосредоточились на зернистом алюминии — тонкой пленке, состоящей из множества крошечных сверхпроводящих зерен, разделенных тонкими изолирующими барьерами. Вместе эти зерна образуют естественную сеть слабых связей для электронов, известную физикам как массив джозефсоновских контактов. Хотя каждая связь проста, вся сеть может демонстрировать сложное коллективное поведение. Зернистый алюминий привлекателен тем, что размеры зерен чрезвычайно малы, что усиливает квантовые эффекты и позволяет настроить легкость перехода электронов между зернами.

Использование радиоволн как ручки настройки

Вместо того чтобы каждый раз перестраивать материал для изменения его свойств, команда использовала радиочастотную мощность как пульт дистанционного управления. Они подавали радиосигнал через устройство, одновременно пропуская небольшой постоянный ток и регулируя температуру и магнитное поле. Постепенно увеличивая мощность радиосигнала, они могли сдвинуть систему от гладкого, полностью сверхпроводящего состояния в изолирующее, где ток сильно блокируется и сопротивление становится в десять раз выше, чем в обычном несверхпроводящем металлическом состоянии. При низких температурах они также наблюдали крупные плато на вольт-амперной характеристике при изменении тока, известные как гигантские шаги Шапиро, которые показывают, что многие слабые связи в сети действуют синхронно, как один хорошо скоординированный контакт.

Сверхпроводник, который уходит и возвращается

Наиболее поразительный эффект проявился, когда команда нанесла на карту изменение сопротивления в зависимости от температуры и мощности радиосигнала. При определенной радиомощности материал вначале является сверхпроводящим при очень низкой температуре, затем становится изолирующим по мере повышения температуры и затем, что весьма неожиданно, снова становится сверхпроводящим при более высокой температуре, прежде чем окончательно перейти в нормальный металл. Иными словами, идеальная проводимость исчезает, вновь появляется и затем снова исчезает по мере нагрева образца. Подобное возвращение сверхпроводимости также наблюдается при приложении магнитного поля при подходящих условиях.

Множество частиц, действующих совместно

Чтобы понять это загадочное возвращение сверхпроводимости, авторы сопоставляют свои наблюдения с теоретической картиной, разработанной для сетей слабых связей. В этой картине важно не только то, насколько легко течет ток между зернами, но и то, насколько сильно заряд «заперт» на каждом зерне. При более высоких температурах подвижные заряженные частицы в массиве могут экранировать, или ослаблять, отталкивание между зарядами, фактически уменьшая штраф за перенос заряда от зерна к зерну. Хотя повышение температуры обычно вредит сверхпроводимости, в этой сети оно может на самом деле способствовать коллективному состоянию, уменьшая эффект «запирания». Такое коллективное поведение выходит за рамки того, что может продемонстрировать одиночная слабая связь.

Почему это важно для будущих технологий

В сумме измерения и моделирование показывают, что на вид простой зернистый металл может служить управляемой площадкой для сложных квантовых состояний. Путем регулировки радиомощности, температуры и магнитного поля одно и то же устройство можно переключать между жестким сверхпроводящим состоянием, изолирующим состоянием, доминируемым квантовыми флуктуациями, и реэнтрантным сверхпроводящим состоянием, вызванным многочастичным экранированием. Такая универсальность говорит о том, что зернистые сверхпроводники могут послужить строительными блоками для новых квантовых схем и моделями для изучения того, как большие сети квантовых элементов порождают удивительное коллективное поведение.

Цитирование: 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

Ключевые слова: реэнтрантная сверхпроводимость, зернистый алюминий, массив джозефсоновских контактов, настройка радиочастотой, квантовый фазовый переход

Подробнее на сайте исследовательской группы: https://daganlab.sites.tau.ac.il/