Multiterminal Quasiballistic Josephson Effect in Monocrystalline Gold

In de wereld van elektriciteit gedragen de meeste materialen zich als een drukke gang waar mensen tegen muren en elkaar aan botsen, wat hun voortgang vertraagt. Dit is hoe gewone metalen stroom geleiden: een chaotische, diffuse stroom. Supergeleiders zijn echter anders. In deze speciale materialen vormen elektronen paren en bewegen ze in perfecte unisono, een staat die hen in staat stelt om elektriciteit te transporteren zonder enige weerstand. Wanneer twee supergeleiders worden gescheiden door een dunne barrière van normaal metaal, treedt een opmerkelijk fenomeen op: de superstroom kan door de kloof "tunnelen", waardoor de twee zijden aan elkaar worden gekoppeld. Dit staat bekend als het Josephson-effect. Decennialang hebben wetenschappers dit effect bestudeerd in eenvoudige paren, maar er heeft een nieuwe grens geopend. Onderzoekers vragen zich nu af wat er gebeurt als je niet slechts twee, maar vele supergeleidende leads verbindt met één enkel, gedeeld stuk metaal. In deze complexe opstelling hangt het gedrag van de stroom tussen twee willekeurige punten af van het gehele netwerk, wat een systeem creëert waarin het geheel groter is dan de som der delen.

Een team van natuurkundigen heeft dit complexe idee nu tot leven gebracht met behulp van een enkel kristal van goud. Ze bouwden een plat, planaire device waarbij een minuscuul, hoogzuiver goudvlokje van slechts 80 nanometer dik dient als de brug tussen acht afzonderlijke aluminium elektroden. Het goudkristal is speciaal omdat het één enkel, perfect stuk materie is, waardoor elektronen door het materiaal kunnen reizen met zeer weinig botsingen. Dit staat bekend als het "quasi-ballistische" regime, een staat waarin elektronen bijna zo vrij bewegen als licht, in plaats van te struikelen door een menigte. De onderzoekers deponeerden de aluminium leads bovenop het goud, waardoor een rooster van verbindingen ontstond. Vervolgens maten ze hoeveel superstroom er tussen verschillende paren van deze leads kon stromen terwijl ze de temperatuur veranderden en magnetische velden toepasten.

De resultaten waren verrassend en negeerden de standaardregels die eenvoudiger systemen beheersen. In een typische opstelling neemt het vermogen van een superstroom om een kloof over te steken gestaag en voorspelbaar af naarmate de afstand tussen de leads groter wordt. Hier ontdekten de onderzoekers geen dergelijk eenvoudig patroon. Ze maten vier verschillende junctions met variërende lengtes, variërend van 94 nanometer tot meer dan een micron. In plaats van dat de stroom afnam met de afstand, voerden de middelste verbindingen een sterkere stroom dan de uiterste verbindingen. Dit niet-monotone gedrag, waarbij de middelste links sterker zijn dan de buitenste ondanks dat ze langer zijn, bewees dat de junctions niet onafhankelijk van elkaar werkten. De superstroom die tussen twee specifieke elektroden stroomde, werd beïnvloed door de aanwezigheid en fase van alle andere elektroden in de array. Het gehele goudkristal fungeerde als één enkel, verenigd kwantumobject, dat elke lead met elke andere lead tegelijkertijd verbond.

Om te bevestigen dat dit geen toevalstreffer of een productiefout was, voerde het team een cruciale controlexperiment uit. Ze bouwden identieke apparaten met gewoon, ongeordend goud waar elektronen op een chaotische, diffuse manier bewegen. In die standaard monsters gedroeg de stroom zich precies zoals verwacht: het was sterk in de kortste junction en verdween volledig in de langere junctions. Dit scherpe contrast bevestigde dat het vreemde, onderling verbonden gedrag een unieke eigenschap was van het hoogwaardige, quasi-ballistische goudkristal. De onderzoekers ontwikkelden ook een nieuw theoretisch model om te verklaren wat ze zagen. Hun berekeningen, die rekening hielden met de complexe reflecties van elektronen van de oppervlakken van het dunne goudkristal, kwamen perfect overeen met de experimentele gegevens zonder dat er aanpassingen aan verborgen variabelen nodig waren.

Het team verkende dit multiterminale gedrag verder door stromen door het device te sturen in verschillende combinaties. Ze ontdekten dat de weerstand van één junction veranderde afhankelijk van de stroom die door een totaal andere set leads liep. Als het systeem slechts een eenvoudige keten van drie afzonderlijke verbindingen was, zou het gedrag voorspelbaar en lineair zijn. In plaats daarvan toonden de metingen een complex web van interacties waarbij de staat van het gehele systeem de stroom dicteerde. Ten slotte testten ze het device met magnetische velden. In een eenvoudige junction oscilleert de stroom meestal in een patroon dat gerelateerd is aan de grootte van die specifieke kloof. In dit goudkristal kwamen de oscillaties overeen met het veel grotere oppervlak dat door alle leads wordt gedeeld, en niet alleen met de kleine kloof tussen twee van hen. Dit leverde het definitieve bewijs dat het magnetische veld het gehele netwerk van verbindingen waarnam.

Dit werk vestigt een nieuw platform voor het bestuderen van hoe supergeleiding zich gedraagt in complexe, multiterminale systemen. Door gebruik te maken van een schoon, enkel goudkristal, hebben de onderzoekers een laboratorium gecreëerd waar de kwantumfasen van meerdere supergeleidende leads samen kunnen worden afgestemd en bestudeerd. Deze opstelling opent de deur naar het verkennen van exotische toestanden van materie, zoals kunstmatige topologische materialen, waarbij de rangschikking van supergeleidende fasen het gedrag van deeltjes in hogere dimensies nabootst. De studie demonstreert dat wanneer elektronen de ruimte krijgen om vrij te bewegen in een schone omgeving, ze een diep onderling verbonden kwantumnetwerk kunnen creëren, waardoor een eenvoudig stuk metaal verandert in een geavanceerd circuit waarbij elk deel onlosmakelijk verbonden is met elk ander deel.