Multiterminal Quasiballistic Josephson Effect in Monocrystalline Gold

在电力的世界里，大多数材料的表现就像一条拥挤的走廊，人们不断撞到墙壁和彼此，从而减慢了前进的速度。这就是普通金属导电的方式：一种混乱的、扩散性的流动。然而，超导体却与众不同。在这些特殊的材料中，电子成对结合并以完美的同步进行运动，这种状态使它们能够毫无电阻地携带电流。当两个超导体被一层普通的金属薄层隔开时，一种非凡的现象发生了：超电流可以“隧穿”过这个间隙，将两端连接在一起。这被称为约瑟夫森效应（Josephson effect）。几十年来，科学家们一直在研究这种简单配对中的效应，但一个新的前沿已经开启。研究人员现在正在探究，当你连接的不只是两个，而是许多个超导引线到一个共享的金属片上时，会发生什么。在这种复杂的排列中，任意两点之间的电流行为都取决于整个网络，从而创造出一个整体大于部分之和的系统。

一支物理学家团队现在利用单晶金将这一复杂的构想变成了现实。他们制造了一个扁平的平面器件，其中一片仅有80纳米厚的极高纯度金薄片，作为八个独立铝电极之间的桥梁。这块金晶体非常特殊，因为它是一个完美的单一体，允许电子在其中穿行时极少发生碰撞。这被称为“准弹道”（quasi-ballistic）机制，在这种状态下，电子的运动几乎像光一样自由，而不是在人群中踉跄前行。研究人员将铝引线沉积在金之上，创建了一个连接网格。随后，他们通过改变温度和施加磁场，测量了不同引线对之间可以流动的超电流大小。

结果令人惊讶，并且违背了支配简单系统的标准规则。在典型的设置中，超电流跨越间隙的能力会随着引线间距离的增加而稳定且可预测地下降。然而在这里，研究人员发现并没有这样简单的模式。他们测量了四个长度各异的结，范围从94纳米到超过一微米。电流并没有随着距离的增加而消退，相反，中间的结比两端的结承载了更强的电流。这种非单调行为——即尽管中间的连接较长，其强度却高于外侧的连接——证明了这些结并非独立运作。在任何两个特定电极之间流动的超电流，都会受到数组中所有其他电极的存在及其相位的影响。整块金晶体表现为一个单一的、统一的量子物体，将每一个引线与每一个其他引线同时连接在一起。

为了确认这并非偶然现象或制造误差，该团队进行了一项至关重要的对照实验。他们使用普通的、具有无序性的金制造了完全相同的器件，在这些标准样品中，电子以混乱的扩散方式运动。在那些标准样品中，电流的表现完全符合预期：在最短的结处电流最强，而在较长的结中则完全消失。这种鲜明的对比证实了这种奇特的、相互关联的行为是高质量准弹道金晶体所特有的属性。研究人员还开发了一种新的理论模型来解释所观察到的现象。他们的计算考虑了电子从薄金晶体表面发生的复杂反射，其结果与实验数据完美匹配，无需调整任何隐藏变量。

该团队进一步通过向器件发送不同组合的电流来探索这种多端行为。他们发现，一个结的电阻会根据流经完全不同的另一对引线的电流而发生变化。如果系统仅仅是一个由三个独立环节组成的简单链条，其行为将会是可预测且线性的。然而，测量结果显示了一个复杂的相互作用网络，整个系统的状态决定了电流的流动。最后，他们用磁场测试了该器件。在一个简单的结中，电流通常会呈现出与特定间隙尺寸相关的振荡模式。而在这种金晶体中，振荡所对应的则是所有引线共同分享的更大面积，而不仅仅是两个引线之间的微小间隙。这提供了决定性的证据，证明磁场感知到的是整个连接网络。

这项工作为研究超导性在复杂多端系统中如何表现建立了一个新的平台。通过使用洁净的单晶金，研究人员创造了一个实验室，可以在其中对多个超导引线的量子相位进行协同调节和研究。这种设置为探索奇异物质态（例如人工拓扑材料）打开了大门，在这些材料中，超导相位的排列模拟了高维空间中粒子的行为。该研究表明，当电子被允许在洁净的环境中自由运动时，它们可以创造出一个深度互联的量子网络，将一块简单的金属转变为一个复杂的电路，其中每一部分都与其他部分有着不可分割的联系。