Plasmonic Modes in hybrid Josephson Junction Arrays

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantumcomputer richten wetenschappers zich op circuits die zich gedragen als atomen, maar op een schaal die groot genoeg is om te worden gezien en gemanipuleerd. Deze supergeleidende circuits vertrouwen op een speciaal component genaamd een Josephson-overgang, een minuscule brug waar elektriciteit zonder weerstand kan stromen, maar die toch op een manier kan reageren die gevoelig is voor magnetische velden. Deze gevoeligheid is wat ingenieurs in staat stelt om het niet-lineaire gedrag te creëren dat nodig is voor kwantumbits, of qubits, de fundamentele eenheden van kwantuminformatie. Echter, naarmate onderzoekers proberen deze circuits complexer en robuuster te maken, stuiten ze op een aanzienlijke hindernis: de materialen die worden gebruikt om ze te bouwen, hebben vaak moeite wanneer ze worden blootgesteld aan magnetische velden, waarbij ze hun speciale eigenschappen verliezen of te ruisachtig worden om nuttig te zijn. Om vooruit te komen, heeft de wetenschappelijke gemeenschap een manier nodig om deze delicate overgangen te bestuderen onder precies de omstandigheden waaraan ze uiteindelijk zullen worden blootgesteld, specifiek om te begrijpen hoe de stroom van elektriciteit verandert naarmate de magnetische omgeving verschuift.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Regensburg en haar partners heeft een nieuwe methode ontwikkeld om dit probleem op te lossen, gebruikmakend van een structuur die werkt als een lange ketting van kleine bruggen. Ze creëerden een apparaat gemaakt van een sandwich van aluminium en een halfgeleidermateriaal genaamd indiumarsenide. In deze opstelling vormt het aluminium een dunne, supergeleidende laag bovenop een twee-dimensionaal elektronen gas, een plat vlak waar elektronen vrij kunnen bewegen. Door een reeks smalle openingen in het aluminium te etsen, veranderden ze dit continue veld in een ketting van honderden individuele Josephson-overgangen, gerangschikt als kralen aan een snoer. Deze ketting, bekend als een Josephson-overgangsarray, werd vervolgens geïntegreerd in een microgolfresonator, een apparaat dat trilt op specifieke frequenties wanneer elektriciteit erdoorheen stroomt, vergelijkbaar met hoe een gitaarsnaar trilt op een specifieke toonhoogte.

De onderzoekers gebruikten deze opstelling om microgolfsignalen door de array te sturen en te meten hoe de signalen veranderden. Door een magnetisch veld toe te passen dat recht naar beneden door het apparaat wijst, observeerden ze een duidelijk patroon in de resonantiefrequenties. Naarmate de sterkte van het magnetische veld toenam, verschoof de frequentie van de trilling in een voorspelbaar golfachtig patroon. Dit patroon is vergelijkbaar met de interferentieresten die te zien zijn wanneer licht door twee spleten gaat, maar hier wordt het gecreëerd door de superstromen die door de honderden overgangen in de array stromen. Het team ontdekte dat deze methode hen in staat stelde om het interferentiepatroon duidelijk te zien over een breed bereik van magnetische velden, een prestatie die normaal gesproken moeilijk is omdat het magnetische veld doorgaans de delicate supergeleidende staat in dunne films verstoort.

De sleutel tot hun succes was het ontwerp van de array zelf. Door het supergeleidende film te breken in kleine, geïsoleerde eilanden die verbonden zijn door de overgangen, voorkwamen ze dat magnetische vortexen — kleine wervelingen van een magnetisch veld die normaal gesproken de supergeleidende kwaliteit vernietigen — vrij konden bewegen en energieverlies veroorzaakten. Dit ontwerp hield het apparaat stabiel en stelde de onderzoekers in staat om de eigenschappen van de overgangen met hoge precisie te meten. Ze ontdekten dat de manier waarop de stroom door deze overgangen stroomt, niet de eenvoudige, gladde curve is die vaak wordt aangenomen in standaardmodellen. In plaats daarvan is de stroom zeer gevoelig voor de transparantie van de barrière tussen de supergeleider en de halfgeleider.

Voor een van hun apparaten onthulde de data dat de elektronen met een zeer hoge efficiëntie door de overgangen passeren, bijna alsof ze door een helder raam bewegen in plaats van door een mistig venster. De onderzoekers berekenden dat de overgangen zich gedragen alsof ze een effectieve transparantie van ongeveer 93 procent hebben, wat betekent dat de elektronen een bijna perfect, ballistisch pad volgen. Dit hoge niveau van transparantie suggereert dat de elektronen niet verstrooid worden door onzuiverheden, maar op een gecoördineerde, kwantummechanische manier stromen. In contrast hiermee vertoonde een ander door hen getest apparaat een meer standaard, minder transparant gedrag, wat bevestigde dat de methode kan onderscheiden tussen verschillende typen kwaliteit van de overgangen.

Dit werk demonstreert dat Josephson-overgangsarrays kunnen dienen als een krachtig instrument voor het karakteriseren van de microscopische eigenschappen van hybride supergeleider-halfgeleider apparaten. Door het interferentiepatroon van de resonantiefrequenties in kaart te brengen, was het team in staat om de gedetailleerde relatie tussen de stroom en de fase van de golffunctie te extraheren, een fundamentele eigenschap die bepaalt hoe de overgang zich gedraagt. Het vermogen om deze eigenschappen te meten in de aanwezigheid van sterke magnetische velden opent de deur naar het ontwerpen van robuustere kwantumcircuits. De onderzoekers suggereren dat deze arrays kunnen fungeren als superinductoren, componenten die magnetische energie opslaan met zeer weinig verlies, die essentieel zijn voor het bouwen van de volgende generatie beschermde kwantumcircuits. Deze circuits zouden veerkrachtiger kunnen zijn tegen fouten, een cruciale stap naar het realiseren van praktische kwantumcomputers. De studie bevestigt dat door de geometrie van deze apparaten zorgvuldig te ontwerpen, wetenschappers componenten kunnen creëren die niet alleen afstembaar zijn, maar ook veerkrachtig genoeg om te opereren in de complexe magnetische omgevingen die vereist zijn voor geavanceerde kwantumtechnologieën.