Multiterminal Quasiballistic Josephson Effect in Monocrystalline Gold

In der Welt der Elektrizität verhalten sich die meisten Materialien wie ein überfüllter Flur, in dem Menschen gegen Wände und gegeneinander stoßen und dadurch ihren Fortschritt verlangsamen. So leiten gewöhnliche Metalle Strom: ein chaotischer, diffuser Fluss. Supraleiter hingegen sind anders. In diesen speziellen Materialien paaren sich Elektronen und bewegen sich in perfektem Einklang, ein Zustand, der es ihnen ermöglicht, Elektrizität ohne jeglichen Widerstand zu transportieren. Wenn zwei Supraleiter durch eine dünne Barriere aus normalem Metall getrennt sind, tritt ein bemerkenswertes Phänomen auf: Der Superstrom kann über die Lücke „tunneln“ und so die beiden Seiten miteinander verbinden. Dies ist als der Josephson-Effekt bekannt. Jahrzehntelang haben Wissenschaftler diesen Effekt in einfachen Paaren untersucht, doch nun hat sich eine neue Grenze eröffnet. Forscher fragen nun, was passiert, wenn man nicht nur zwei, sondern viele supraleitende Zuleitungen mit einem einzigen, gemeinsamen Stück Metall verbindet. In dieser komplexen Anordnung hängt das Verhalten des Stroms zwischen zwei beliebigen Punkten vom gesamten Netzwerk ab, wodurch ein System entsteht, bei dem das Ganze mehr ist als die Summe seiner Teile.

Ein Team von Physikern hat diese komplexe Idee nun unter Verwendung eines Einkristalls aus Gold zum Leben erweckt. Sie bauten eine flache, planare Vorrichtung, bei der ein winziges, hochreines Goldflärchen, das nur 80 Nanometer dick ist, als Brücke zwischen acht separaten Aluminiumelektroden dient. Der Goldkristall ist besonders, da er ein perfektes, einzelnes Stück Materie ist, das es Elektronen ermöglicht, mit sehr wenigen Kollisionen hindurchzutransportieren. Dies wird als der „quasi-ballistische“ Bereich bezeichnet, ein Zustand, in dem sich Elektronen fast so frei wie Licht bewegen, anstatt durch eine Menge zu stolpern. Die Forscher deponierten die Aluminiumzuleitungen auf dem Gold und schufen so ein Gitter von Verbindungen. Sie maßen dann, wie viel Superstrom zwischen verschiedenen Paaren dieser Zuleitungen fließen konnte, während sie die Temperatur veränderten und Magnetfelder anlegten.

Die Ergebnisse waren überraschend und widersprachen den Standardregeln, die gewöhnlichere Systeme steuern. In einem typischen Aufbau sinkt die Fähigkeit eines Superstroms, eine Lücke zu überqueren, stetig und vorhersehbar, wenn der Abstand zwischen den Zuleitungen zunimmt. Hier fanden die Forscher kein solches einfaches Muster. Sie maßen vier verschiedene Übergänge mit unterschiedlichen Längen, die von 94 Nanometern bis über einen Mikrometer reichten. Anstatt dass der Strom mit der Entfernung abnahm, leiteten die mittleren Übergänge einen stärkeren Strom als die äußeren. Dieses nicht-monotone Verhalten, bei dem die mittleren Verbindungen stärker sind als die äußeren, obwohl sie länger sind, bewies, dass die Übergänge nicht unabhängig voneinander agierten. Der zwischen zwei spezifischen Elektroden fließende Superstrom wurde durch die Anwesenheit und Phase aller anderen Elektroden im Array beeinflusst. Der gesamte Goldkristall agierte als ein einziges, vereintes Quantenobjekt, das jede Zuleitung mit jeder anderen gleichzeitig verband.

Um sicherzustellen, dass dies nicht nur ein Zufall oder ein Herstellungsfehler war, führte das Team ein entscheidendes Kontrollexperiment durch. Sie bauten identische Vorrichtungen unter Verwendung von gewöhnlichem, ungeordnetem Gold, in dem sich Elektronen auf chaotische, diffusive Weise bewegen. In jenen Standardproben verhielt sich der Strom genau wie erwartet: Er war in dem kürzesten Übergang stark und verschwand in den längeren Übergängen vollständig. Dieser starke Kontrast bestätigte, dass das seltsame, vernetzte Verhalten eine einzigartige Eigenschaft des hochwertigen, quasi-ballistischen Goldkristalls war. Die Forscher entwickelten auch ein neues theoretisches Modell, um das zu erklären, was sie beobachteten. Ihre Berechnungen, die die komplexen Reflexionen der Elektronen an den Oberflächen des dünnen Goldkristalls berücksichtigten, stimmten perfekt mit den experimentellen Daten überein, ohne dass versteckte Variablen angepasst werden mussten.

Das Team untersuchte dieses Multiterminal-Verhalten weiter, indem sie Ströme in verschiedenen Kombinationen durch die Vorrichtung leiteten. Sie fanden heraus, dass sich der Widerstand eines Übergangs änderte, je nachdem, welcher Strom durch ein völlig anderes Paar von Zuleitungen floss. Wenn das System nur eine einfache Kette aus drei separaten Verbindungen wäre, wäre das Verhalten vorhersehbar und linear. Stattdessen zeigten die Messungen ein komplexes Netz von Interaktionen, in dem der Zustand des Gesamtsystems den Stromfluss bestimmte. Schließlich testeten sie die Vorrichtung mit Magnetfeldern. In einem einfachen Übergang oszilliert der Strom normalerweise in einem Muster, das mit der Größe dieser spezifischen Lücke zusammenhängt. In diesem Goldkristall entsprachen die Oszillationen der viel größeren Fläche, die von allen Zuleitungen geteilt wurde, und nicht nur der kleinen Lücke zwischen zwei von ihnen. Dies lieferte den definitiven Beweis dafür, dass das Magnetfeld das gesamte Netzwerk der Verbindungen wahrnahm.

Diese Arbeit etabliert eine neue Plattform für die Untersuchung dessen, wie Supraleitung in komplexen Multiterminal-Systemen funktioniert. Durch die Verwendung eines sauberen Einkristalls aus Gold haben die Forscher ein Labor geschaffen, in dem die Quantenphasen mehrerer supraleitender Zuleitungen gemeinsam abgestimmt und untersucht werden können. Dieser Aufbau öffnet die Tür zur Erforschung exotischer Materiezustände, wie etwa künstlicher topologischer Materialien, bei denen die Anordnung der supraleitenden Phasen das Verhalten von Teilchen in höheren Dimensionen nachahmt. Die Studie zeigt, dass Elektronen, wenn man sie erlaubt, sich frei in einer sauberen Umgebung zu bewegen, ein tief vernetztes Quantennetzwerk erschaffen können, das ein einfaches Stück Metall in einen hoch entwickelten Schaltkreis verwandelt, in dem jeder Teil untrennbar mit jedem anderen verbunden ist.