حدد علماء من روسيا الحد الأساسي لتصغير الأجهزة فائقة التوصيل

في عام 1962، أظهر بريان ديفيد جوزيفسون، الحائز على جائزة نوبل لاحقًا، أنه إذا تم فصل اثنين من الموصلات الفائقة (S) بطبقة رقيقة من المعدن العادي (N)، فإن تيارًا فائق التوصيل سوف يتدفق عبر الطبقة. تسمى هذه الهياكل تقاطعات جوزيفسون. نتيجة لتبادل النفق، يتم إنشاء فرق الطور بين الوظائف الموجية للإلكترونات على جانبي الحاجز، مما يحدد حجم التيار. من خلال تغيير هذا الاختلاف، من الممكن إعادة ترتيب حالة جهاز فائق التوصيل استنادًا إلى تقاطع جوزيفسون: الكيوبتات، ومقاييس التداخل الكمي فائقة التوصيل (SQUIDs)، ومولدات إشارات الموجات الدقيقة. يعمل الباحثون بنشاط على تصغير الأجهزة الإلكترونية فائقة التوصيل، لكن تقليل عرض الأقطاب الكهربائية تحت عتبة معينة يؤدي إلى عمليات غير متوازنة تؤدي إلى تغيير سلوك الجهاز بشكل أساسي. وجد مؤلفو هذا العمل أن المعلمة الحرجة هي طول تحويل شبه الجسيمات، أي المسافة التي يتم عندها تحويل التيار الطبيعي (الذي تحمله الإلكترونات الفردية) بالكامل إلى تيار فائق التوصيل (تحمله أزواج كوبر). لم يقم العلماء بقياسه فقط – بالنسبة للمواد التي تمت دراستها، كان حوالي 400 نانومتر – ولكنهم طوروا أيضًا طريقة لاستخراج هذه المعلمة من قياسات النقل التقليدية، ومقارنة النتائج التي تم الحصول عليها مع طرق مختلفة لربط جهات الاتصال. وللقيام بذلك، قام العلماء بتصنيع جسور جوزيفسون المستوية SN-N-NS، وهي هياكل يتم فيها فصل قطبين من النيوبيوم فائق التوصيل بواسطة جسر ذهبي. كان عرض أقطاب النيوبيوم في عينات مختلفة 3 ميكرون و380 نانومتر مع نفس طول الوصلة وهو 160 نانومتر. للتعرف على تأثير الهندسة على تحويل التيار، استخدم الفيزيائيون ثلاث دوائر مختلفة لتوصيل أدوات القياس. في الأول، تم توفير التيار من خلال الأقطاب الكهربائية الخارجية، وتم قياس الجهد من خلال الأقطاب الكهربائية الداخلية – حيث مر التيار الطبيعي عبر العبور الذهبي وكان لا بد من تحويله إلى موصل فائق داخل أقطاب النيوبيوم. في الدائرة الثانية، يتم توفير التيار من خلال الأقطاب الكهربائية الداخلية، ويتم إزالة الجهد من الأقطاب الخارجية. وفي الحالة الثالثة، تم توفير كل من التيار والجهد وقياسهما في الأقطاب الكهربائية الداخلية. بالنسبة للعينات ذات الأقطاب الكهربائية العريضة، أعطت الطرق الثلاث نفس قيم المقاومة والتيار الحرج – الحد الأقصى للتيار الذي يمكن للوصلة تمريره دون التسبب في الجهد. ومع ذلك، عندما تم تقليل عرض القطب إلى 380 نانومتر، تباينت النتائج: كانت المقاومة المقاسة في التكوين مع التيار من خلال الأقطاب الكهربائية الداخلية والجهد عبرها أعلى بعدة مرات من الدوائر الأخرى. في المقابل، فإن التيار الحرج الذي تم قياسه عند تطبيق التيار عبر الأقطاب الكهربائية الخارجية تجاوز القيم التي تم الحصول عليها في التكوينات الأخرى. إن ميزة اعتماد المقاومة على درجة الحرارة، المقابلة لانتقال النيوبيوم إلى حالة التوصيل الفائق، اختفت تمامًا في إحدى دوائر القياس. مقارنة خصائص نقل الوصلات ذات الأقطاب الكهربائية العريضة (الصف العلوي) والضيقة (الصف السفلي). بالنسبة للأقطاب الكهربائية الضيقة، يختلف اعتماد درجة الحرارة للمقاومة والتيار الحرج، وكذلك خصائص الجهد الحالي، بشكل كبير في تكوينات القياس المختلفة. لشرح هذه التأثيرات، قام الباحثون بتعديل نموذج Kadin-Smith-Skocpol الظاهري، الذي يصف توزيع التيار بين القنوات العادية وفائقة التوصيل. في النموذج، ينقسم التيار في القطب إلى مسارين متوازيين: أحدهما فائق التوصيل تمامًا، والآخر طبيعي، وله مقاومة لكل وحدة طول. يتميز التحويل بين القنوات بموصلية محددة. يحدد الجمع بين هاتين المعلمتين طول التحويل π. ومن خلال حل نظام من المعادلات التفاضلية المشابهة لمعادلات التلغراف لخطوط النقل (التي تصف انتشار الإشارات الكهربائية على طول خط طويل، حيث يتم توزيع المعلمات بشكل مستمر على طول الطول)، حصل الباحثون على صيغ لمقاومة جزء القطب الكهربائي في كل من دوائر القياس الثلاث. تتنبأ هذه الصيغ أنه بالنسبة لتكوينين يتم التعبير عن المقاومة بشكل متساوٍ وتعتمد على عرض القطب من خلال ظل زائدي، وللثالث – من خلال ظل تمام زائدي، والذي يعطي قيمة أكبر بشكل ملحوظ بالنسبة للعروض الصغيرة. بالنسبة لعروض القطب الكبيرة، فإن التعبيرات الثلاثة جميعها تعطي نفس النتيجة تقريبًا. ومن خلال مقارنة النظرية بالتجربة، استخرج العلماء قيمة عددية لطول التحول – وتبين أنها تبلغ حوالي 400 نانومتر وتعتمد بشكل ضعيف على درجة الحرارة. مقاومة منطقة القطب كدالة لعرض القطب، محسوبة في نموذج معدل لثلاث دوائر قياس (يسار). الاعتماد على درجة الحرارة لطول التحويل المستخرج من مقارنة المقاومات (النقاط الزرقاء) والتيارات الحرجة (النقاط الحمراء) في تكوينات مختلفة (يمين) / © Physical Review B يشرح النموذج أيضًا سبب المبالغة في تقدير التيار الحرج الذي يتم قياسه عند تطبيق التيار من خلال أقطاب كهربائية خارجية. في هذا التكوين، يتم تحويل التيار الطبيعي جزئيًا فقط إلى تيار فائق التوصيل، ويتدفق الجزء غير المحول عبر الوصلة الموازية للتيار الفائق دون التأثير على قراءة الفولتميتر المتصل بين الأقطاب الكهربائية فائقة التوصيل. يحدث الانتقال إلى حالة المقاومة فقط عندما يصل المكون فائق التوصيل إلى قيمة حرجة، وبالتالي فإن إجمالي التيار المقاس أكبر من تيار الانتقال الحرج الحقيقي. “لقد أظهرنا لأول مرة أن طول تحويل شبه الجسيمات – حوالي 400 نانومتر – يتجاوز بشكل كبير حجم إعادة التوزيع الحالي في الحالة الطبيعية”، علق مدير مركز الأساليب المتقدمة للفيزياء المتوسطة وتقنيات النانو في MIPT، دكتور في الفيزياء والرياضيات. ن. فاسيلي ستولياروف.—هذا يعني أنه عند تصميم دوائر فائقة التوصيل بأقطاب كهربائية دون الميكرون، لا يمكنك الاعتماد على قياسات قياسية بأربعة مسبار: اعتمادًا على طريقة توصيل جهات الاتصال، ستحصل على قيم مختلفة للتيار الحرج والمقاومة، ولن يتوافق أي منها مع المعلمات الحقيقية للوصلة. ومن ناحية أخرى، فإن هذا التناقض بحد ذاته يسمح لنا بقياس طول التحويل، مما يمنحنا أداة عملية لتشخيص الدوائر فائقة التوصيل النانوية. التأثير المكتشف لا يفسر فقط الحالات الشاذة التي تمت ملاحظتها سابقًا في هياكل مماثلة، ولكنه يضع أيضًا مقياسًا أساسيًا لمزيد من التصغير للإلكترونيات فائقة التوصيل. عندما يصبح عرض القطب الكهربائي أقل من 400 نانومتر، يظل تحويل التيار غير مكتمل، ويجب أخذ ذلك في الاعتبار عند تصميم وصلات جوزيفسون المدمجة للمعالجات الكمومية ومنطق التوصيل الفائق وأجهزة الاستشعار. بالإضافة إلى ذلك، فإن الطريقة المقترحة لتحديد طول التحويل من القياسات القياسية تسمح للمهندسين بتقدير هذه المعلمة بدون معدات معقدة. تم نشر العمل في مجلة Physical Review B. وقد تم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الروسية (المنح رقم 25-72-10127 ورقم 25-19-00057) ووزارة العلوم والتعليم العالي في الاتحاد الروسي (الاتفاقية رقم 075-15-2025-010). بالإضافة إلى العاملين في MIPT، جامعة موسكو الحكومية. تمت تسمية M. V. Lomonosov و VNIIA على اسمهما. شارك في العمل زملاء إن إل دوخوف من جامعة موسكو التقنية للاتصالات والمعلوماتية والمدرسة العليا للاقتصاد ومعهد بكين للتكنولوجيا.