通过射频功率调谐的天然约瑟夫森结阵列中的再入型超导性

无需外力也能流动的电流

大多数情况下，电流通过导线时会以热的形式浪费能量。超导体是一类特殊材料，电流在其中可以无损耗地流动，但它们通常仅在非常苛刻的条件下——极低温和弱磁场下——才有效。本研究探讨了这一行为的一个不同寻常的变体：随着条件变化，超导性似乎先消失又重新出现，揭示出丰富的隐含物理，有助于未来量子器件的设计。

表面简单却隐藏网络结构的材料

研究人员将注意力集中在颗粒状铝上，这是一种由无数微小超导金属颗粒组成的薄膜，颗粒之间由薄薄的绝缘势垒隔开。这些颗粒共同形成了一个天然的电子弱链接网络，物理学家称为约瑟夫森结阵列。尽管每个连接都很简单，整个网络却能表现出复杂的集体行为。颗粒状铝具有吸引力，因为其颗粒尺寸极小，使量子效应更强烈，并使科学家能够调节电子在颗粒之间移动的容易程度。

把无线电波当作调节旋钮

研究小组没有每次都重制材料来改变其性质，而是用射频功率作为遥控器。他们在器件中发送射频信号，同时施加小直流电并调节温度和磁场。通过逐步增加射频功率，他们可以将系统从平滑的完全超导态推动到绝缘态，在绝缘态中电流被强烈阻拦，电阻比普通非超导金属态高出十倍。在低温下，他们还观察到随电流变化出现的电压大平台，即巨型Shapiro阶，这表明网络中许多个弱链接像单个协调良好的结那样同步动作。

离去又重返的超导性

最引人注目的效应出现在团队绘制电阻随温度和射频功率变化的图像时。在某一射频功率下，材料在非常低温时起初处于超导态，随着温度升高变为绝缘态，然后出人意料地在更高温度再次变为超导态，最后才转变为常态金属。换言之，完美导电性在样品加热过程中先消失、再出现、随后再次消失。在合适条件下，施加磁场也会出现类似的超导回归现象。

众多粒子的协同行为

为了解释这一令人费解的超导回归，作者将他们的实验结果与为弱链接网络发展出的理论图景进行比较。在该观点中，不仅颗粒间电流流动的容易程度重要，还要看电荷在每个颗粒上被锁定的强弱。在较高温度下，阵列中可移动的电荷粒子可以屏蔽或软化电荷间的排斥，从而有效降低将电荷从一颗粒移动到另一颗粒的代价。尽管较高温度通常对超导不利，但在该网络中，通过减弱这种锁定效应，温度升高反而可能有利于协同态的形成。这种多体行为超出了单个弱链接所能表现的范围。

对未来技术的重要性

测量与建模共同表明，看似简单的颗粒金属可以成为研究复杂量子态的可控平台。通过调节射频功率、温度和磁场，同一器件可在刚性超导态、受量子涨落主导的绝缘态以及由多体屏蔽驱动的再入型超导态之间切换。这种多功能性表明，颗粒超导体可作为新型量子电路的构件，并作为模型系统用于探索大量量子单元网络如何产生令人惊讶的集体行为。

引用: 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

关键词: 再入型超导性, 颗粒状铝, 约瑟夫森结阵列, 射频调谐, 量子相变

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