Multiterminal Quasiballistic Josephson Effect in Monocrystalline Gold

電気の世界において、ほとんどの物質は、人々が壁や互いにぶつかり合いながら進むのを遅らせる、混雑した廊下のような挙動を示します。これが、通常の金属における電流の伝わり方であり、混沌とした拡散的な流れです。しかし、超伝導体は異なります。これらの特別な材料では、電子がペアを組み、完璧な調和の中で移動します。この状態により、抵抗が全くない状態で電気を運ぶことができるのです。2つの超伝導体が、通常の金属の薄い障壁によって隔てられているとき、驚くべき現象が起こります。超電流がその隙間を「トンネル」して通り抜け、両側を連結させるのです。これはジョセフソン効果として知られています。数十年にわたり、科学者たちは単純なペアにおけるこの効果を研究してきましたが、今、新たな境地が開かれました。研究者たちは今、単に2つではなく、多くの超伝導リードを単一の共有された金属片に接続した場合に何が起こるのかを問い始めています。この複雑な配置において、任意の2点間の電流の振る舞いはネットワーク全体に依存し、その結果、全体が部分の総和よりも大きくなるシステムが生まれます。

物理学者のチームは、今回、金の一結晶を用いてこの複雑な概念を具現化しました。彼らは、厚さわずか80ナノメートルの極めて高純度な金の薄片が、8つの独立したアルミニウム電極間の架け橋となる、平坦で平面的なデバイスを構築しました。この金の結晶は、単一の完全な物質であるため特別であり、電子が衝突をほとんど起こさずに移動できます。これは「準弾道的（quasi-ballistic）」領域と呼ばれ、電子が混雑の中をよろめきながら進むのではなく、光のようにほぼ自由に移動できる状態を指します。研究者たちは、この金の上にアルミニウムのリードを堆積させ、接続のグリッドを作成しました。そして、温度や磁場を変化させながら、これらの異なるペアのリード間にどれほどの超電流が流れるかを測定しました。

結果は驚くべきものであり、より単純なシステムを支配する標準的な規則を覆すものでした。典型的なセットアップでは、超電流が隙間を横切る能力は、リード間の距離が増すにつれて着実に、かつ予測通りに減少します。しかしここでは、研究者たちはそのような単純なパターンを見出せませんでした。彼らは、94ナノメートルから1マイクロメートル以上に及ぶ様々な長さを持つ4つの異なる接合部を測定しました。距離とともに電流が減衰していく代わりに、中央の接合部は端にあるものよりも強い電流を流しました。この非単調な挙動、つまり中央のリンクが外側のものよりも長いにもかかわらず、中央の方が強いという事実は、接合部が独立して機能していないことを証明しました。特定の2つの電極間に流れる超電流は、他のすべての電極の存在と位相によって影響を受けていたのです。金結晶全体が、単一の統一された量子オブジェクトとして機能し、すべてのリードを他のすべてのリードへと同時に接続していました。

これが単なる偶然や製造上のエラーではないことを確認するために、チームは極めて重要な対照実験を行いました。彼らは、電子が混沌とした拡散的な形で移動する、通常の無秩序な金を用いた同一のデバイスを作成しました。それらの標準的な試料では、電流は予想通りに振る舞いました。つまり、最短の接合部で最も強く、より長い接合部では完全に消失したのです。この鮮明な対照は、この奇妙で相互に連結した振る舞いが、高品質な準弾道的金の結晶による独自の特性であることを裏付けました。研究者たちはまた、目撃した現象を説明するための新しい理論モデルを開発しました。薄い金の結晶の表面からの電子の複雑な反射を考慮に入れた彼らの計算は、隠れた変数を調整することなく、実験データと完璧に一致しました。

チームはさらに、異なる組み合わせでデバイスに電流を流すことで、このマルチターミナル（多端子）挙動を探索しました。その結果、ある接合部の抵抗が、全く別のリードのペアを流れる電流に応じて変化することを発見しました。もしシステムが単なる3つの独立したリンクの連鎖であれば、その振る舞いは予測可能で線形なものになるはずです。しかし、測定結果は、システム全体の状態が電気の流れを決定するという、複雑な相互作用の網を示していました。最後に、彼らは磁場を用いてデバイスをテストしました。単純な接合部では、電流は通常、その特定の隙間のサイズに関連したパターンで振動します。しかし、この金結晶においては、振動は特定の小さな隙間ではなく、すべてのリードが共有するはるかに大きな面積に対応していました。これは、磁場が単なる2点間の小さな隙間ではなく、ネットワーク全体の接続を感知しているという決定的な証拠となりました。

この研究は、複雑なマルチターミナル・システムにおいて超伝導性がどのように振る舞うかを研究するための、新しいプラットフォームを確立するものです。単一の結晶金を用いることで、研究者たちは複数の超伝導リードの量子位相を共に調整し、研究できる実験室を作り上げました。このセットアップは、超伝導の位相配置が高次元の粒子の振る舞いを模倣するような、人工的なトポロジカル材料といったエキゾチックな物質の状態を探索する扉を開きます。本研究は、電子が清潔な環境下で自由に移動することを許されるとき、それらが深く相互接続された量子ネットワークを作り出し、単純な金属片を、あらゆる部分が互いに不可分に結びついた洗練された回路へと変貌させることを示しています。