Radyo frekans gücüyle ayarlanan doğal oluşumlu Josephson kavşağı dizisinde yeniden giren süperiletkenlik

Itişe ihtiyaç duymadan akıp giden elektrik akımları

Çoğu zaman, elektrik bir tel boyunca hareket ettiğinde enerji ısı olarak harcanır. Süperiletkenler, akımın bu kayıp olmadan aktığı özel malzemelerdir, ancak genellikle yalnızca çok düşük sıcaklık ve zayıf manyetik alan gibi sıkı koşullar altında çalışırlar. Bu çalışma, süperiletkenliğin koşullar değiştirildiğinde kapanıp yeniden açılıyormuş gibi davrandığı sıradışı bir durumu inceliyor; bu, geleceğin kuantum aygıtlarını tasarlamada işe yarayabilecek zengin gizli fiziği açığa çıkarıyor.

Gizli bir ağ içeren basit bir malzeme

Araştırmacılar, birbirinden ince yalıtkan bariyerlerle ayrılmış sayısız küçük süperiletken metal tanecikten oluşan ince bir film olan taneli alüminyuma odaklanıyor. Bu tanecikler birlikte elektronlar için zayıf bağlantılardan oluşan doğal bir ağ, fizikçilerin bildiği adıyla bir Josephson kavşak dizisi oluşturur. Her bağlantı basit olsa da bütün ağ karmaşık kolektif davranışlar sergileyebilir. Taneli alüminyum çekicidir çünkü tanecikleri son derece küçüktür; bu da kuantum etkilerini güçlendirir ve bilim insanlarının tanecikler arasında elektronların ne kadar kolay hareket ettiğini ayarlamasına olanak tanır.

Ayarlama düğmesi olarak radyo dalgaları kullanmak

Özellikleri değiştirmek istediklerinde her seferinde malzemeyi yeniden üretmek yerine ekip radyo frekans gücünü uzaktan kumanda olarak kullandı. Cihaza küçük bir doğru akım uygularken aynı zamanda radyo sinyali gönderdiler ve sıcaklık ile manyetik alanı ayarladılar. Radyo gücünü kademeli olarak artırarak sistemi pürüzsüz, tamamen süperiletken bir halden akımın güçlü şekilde engellendiği ve direncin sıradan, metalik olmayan haldekinden on kat daha yüksek olduğu yalıtkan bir hale itebildiler. Düşük sıcaklıklarda ayrıca akımı değiştirirken voltajda görülen ve ağdaki birçok zayıf bağlantının tek, iyi koordine olmuş bir kavşak gibi kilitlenerek davrandığını gösteren dev Shapiro basamakları gözlemlediler.

Giden ve geri gelen bir süperiletken

En çarpıcı etki, ekibin direncin hem sıcaklık hem de radyo gücü ile nasıl değiştiğini haritalandırdığında ortaya çıktı. Belirli bir radyo gücünde malzeme çok düşük sıcaklıkta süperiletken olarak başlıyor, sonra sıcaklık yükseldikçe yalıtkan hâle geliyor ve daha sonra, beklenmedik bir şekilde, daha yüksek bir sıcaklıkta tekrar süperiletken oluyor ve nihayetinde normal bir metale dönüşüyor. Başka bir deyişle, kusursuz iletkenlik örnek ısındıkça kayboluyor, yeniden ortaya çıkıyor ve sonra tekrar kayboluyor. Benzer bir süperiletkenliğin geri dönüşü uygun koşullar altında manyetik alan uygulandığında da görülüyor.

Birlikte hareket eden çok sayıda parçacık

Bu şaşırtıcı süperiletkenlik dönüşünü anlamlandırmak için yazarlar bulgularını zayıf bağlantı ağları için geliştirilen teorik bir bakışla karşılaştırıyor. Bu görüşte yalnızca tanecikler arasındaki akım akışının kolaylığı önemli değil, aynı zamanda her tanecikte elektrik yükünün ne kadar sabitlenmiş olduğudur. Daha yüksek sıcaklıklarda, dizideki hareketli yüklü parçacıklar yükler arasındaki itmeyi ekranlayabilir veya yumuşatabilir, bu da tanecikten taneciğe yük taşımanın cezasını etkili biçimde azaltır. Yüksek sıcaklığın genelde süperiletkenliğe zarar vermesine rağmen, bu ağda bu kilitleme etkisini azaltarak işbirlikçi halin lehine olabilir. Bu çok parçacıklı davranış, tek bir zayıf bağlantının gösterebileceğinin ötesine geçer.

Gelecek teknoloji için neden önemli

Ölçümler ve modelleme birlikte, basit görünen bir taneli metalin karmaşık kuantum haller için kontrol edilebilir bir oyun alanı gibi davranabileceğini gösteriyor. Radyo gücü, sıcaklık ve manyetik alanı ayarlayarak aynı aygıt sert bir süperiletken hal, kuantum dalgalanmalarının baskın olduğu yalıtkan bir hal ve çok parçacıklı ekranlamanın tetiklediği yeniden giren bir süperiletken hal arasında geçiş yapabilir. Bu çok yönlülük, taneli süperiletkenlerin yeni kuantum devrelerin yapı taşları olarak ve büyük kuantum eleman ağlarının şaşırtıcı kolektif davranışlar ortaya çıkarmasını araştırmak için model sistemler olarak hizmet edebileceğini düşündürüyor.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: yeniden giren süperiletkenlik, taneli alüminyum, Josephson kavşak dizisi, radyo frekans ayarı, kuantum faz geçişi

Araştırma grubunun web sitesinde daha fazlası: https://daganlab.sites.tau.ac.il/