Reentrant supraledning i ett naturligt förekommande Josephson-kopplingsnät justerat med radiofrekvenskraft

Elektriska strömmar som flyter utan drivkraft

Vanligtvis förbrukar elektricitet energi som värme när den rör sig genom en ledning. Supraledare är särskilda material där ström kan flöda utan denna förlust, men de fungerar vanligen bara under mycket strikta förhållanden med låg temperatur och svagt magnetfält. Denna studie undersöker en ovanlig variant av detta beteende, där en supraledare verkar släcka ner och sedan tändas igen när man ändrar förhållanden, vilket blottlägger rik dold fysik som kan hjälpa till att designa framtida kvantenheter.

Ett enkelt material med ett dolt nätverk

Forskarna fokuserar på kornigt aluminium, en tunn film bestående av otaliga små supraledande metallkorn separerade av tunna isolerande barriärer. Tillsammans bildar dessa korn ett naturligt nätverk av svaga förbindelser för elektroner, känt för fysiker som ett Josephson-kopplingsnät. Trots att varje förbindelse är enkel kan hela nätverket uppvisa komplex kollektiv beteende. Kornigt aluminium är attraktivt eftersom kornen är extremt små, vilket gör kvanteffekter starka och låter forskarna ställa in hur lätt elektroner rör sig mellan kornen.

Använda radiovågor som en inställningsknapp

I stället för att omkonstruera materialet varje gång de ville ändra dess egenskaper använde teamet radiofrekvenskraft som en fjärrkontroll. De skickade en radiosignal genom enheten samtidigt som de lät en liten likström flyta och justerade temperatur och magnetfält. Genom att gradvis öka radiokraften kunde de driva systemet från ett jämnt, fullständigt supraledande tillstånd till ett isolerande tillstånd, där ström är kraftigt blockerad och resistansen blir tio gånger högre än i det vanliga, icke-supraledande metalltillståndet. Vid låga temperaturer observerade de också stora platåer i spänningen när de varierade strömmen, kända som gigantiska Shapiro-steg, vilka visar att många svaga länkar i nätverket agerar i takt som en enda välkoordinerad koppling.

En supraledare som lämnar och kommer tillbaka

Det mest slående fenomenet uppträdde när teamet kartlade hur resistansen förändrades med både temperatur och radiokraft. Vid en viss radiokraft börjar materialet som supraledande vid mycket låg temperatur, blir sedan isolerande när temperaturen höjs, och blir därefter, oväntat nog, supraledande igen vid en högre temperatur innan det slutligen övergår till ett normalt metalliskt tillstånd. Med andra ord försvinner den perfekta ledningen, återkommer och försvinner återigen när provet värms upp. En liknande återkomst av supraledning visar sig också när magnetfält appliceras under rätt förhållanden.

Många partiklar som agerar tillsammans

För att förstå denna förbryllande återkomst av supraledning jämför författarna sina observationer med en teoretisk bild utvecklad för nätverk av svaga länkar. I den synen är det inte bara hur lätt strömmen flyter mellan kornen som spelar roll, utan också hur starkt elektrisk laddning är låst på varje korn. Vid högre temperatur kan rörliga laddningsbärare i arrayen screena, eller mildra, repulsionen mellan laddningar, vilket effektivt sänker straffet för att flytta laddning från korn till korn. Även om högre temperatur vanligtvis skadar supraledning kan den i detta nätverk faktiskt gynna det kooperativa tillståndet genom att reducera denna låsning. Detta beteende med många partiklar går bortom vad en enskild svag länk kan åstadkomma.

Varför detta är viktigt för framtida teknik

Tillsammans visar mätningarna och modellerna att en till synes enkel kornig metall kan fungera som en styrbar lekplats för komplexa kvanttillstånd. Genom att justera radiokraft, temperatur och magnetfält kan samma enhet växlas mellan ett styvt supraledande tillstånd, ett isolerande tillstånd dominerat av kvantfluktuationer, och ett reentrant supraledande tillstånd drivet av många-kropps-screening. Denna mångsidighet antyder att korniga supraledare kan tjäna som byggstenar för nya kvantkretsar och som modellssystem för att utforska hur stora nätverk av kvantelement ger upphov till överraskande kollektivt beteende.

Citering: 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

Nyckelord: reentrant supraledning, kornigt aluminium, Josephson-kopplingsnät, radiofrekvensjustering, kvantfasövergång

Läs mer på forskargruppens webbplats: https://daganlab.sites.tau.ac.il/