研究背景
約瑟夫森結(jié)是由兩片超導(dǎo)材料通過絕緣層隔開的結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于量子計算、超導(dǎo)電子學(xué)以及傳感器等領(lǐng)域。約瑟夫森效應(yīng)是其核心特性之一，表現(xiàn)為兩超導(dǎo)體之間的電流可以穿過絕緣層而不產(chǎn)生電壓。盡管約瑟夫森效應(yīng)在超導(dǎo)技術(shù)中具有重要應(yīng)用，但隨著環(huán)境阻尼的變化，特別是外部電阻的影響，約瑟夫森接點的行為會經(jīng)歷超導(dǎo)到絕緣體的量子相變。與傳統(tǒng)的約瑟夫森接點研究相比，這一相變的研究涉及更多的量子力學(xué)效應(yīng)及其對設(shè)備性能的影響。然而，傳統(tǒng)的約瑟夫森效應(yīng)模型并未完全揭示環(huán)境阻力對超導(dǎo)接點相變的深刻影響。尤其是在高阻值電阻環(huán)境下，約瑟夫森接點的量子相變呈現(xiàn)出不確定性，常規(guī)實驗難以觀察到這一相變的關(guān)鍵臨界點。這帶來了對約瑟夫森效應(yīng)的理解及其在量子計算等高精度領(lǐng)域應(yīng)用的挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Roman Kuzmin教授以及馬里蘭大學(xué)Vladimir E. Manucharyan課題組合作在“Nature Physics”期刊上發(fā)表了題為“Observation of the Schmid–Bulgadaev dissipative quantum phase transition”的最新論文。該團隊提出了Schmid-Bulgadaev量子相變理論，并通過引入一個多模腔諧振器模型，成功觀測到超導(dǎo)接點與環(huán)境電阻之間的相變。他們通過調(diào)節(jié)約瑟夫森接點的電阻，發(fā)現(xiàn)了從超導(dǎo)到絕緣體的轉(zhuǎn)變，并提出這種轉(zhuǎn)變的臨界阻抗與理論值相符。具體來說，團隊在實驗中利用長傳輸線段的環(huán)境，探測了超導(dǎo)接點對環(huán)境中駐波模式的影響。研究表明，當(dāng)電阻較小時，超導(dǎo)接點表現(xiàn)為電感行為，而當(dāng)電阻較大時，則表現(xiàn)為電容行為，從而成功觀察到超導(dǎo)和絕緣體相的轉(zhuǎn)換。通過這項工作，研究人員不僅驗證了Schmid-Bulgadaev相變的存在，還發(fā)現(xiàn)量子波動作用增強了接點的非線性，使得接點在相變臨界點處行為像一個理想的電阻器。這一機制為超導(dǎo)與絕緣相之間的轉(zhuǎn)變提供了新的物理圖景，具有極大的潛力為量子計算、超導(dǎo)傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的技術(shù)路徑和理論依據(jù)。
研究亮點
1）實驗首次觀察到Schmid–Bulgadaev相變，通過在電阻性環(huán)境中實現(xiàn)約瑟夫森結(jié)的動態(tài)行為。研究人員利用電磁波傳輸線和具有不同阻抗的環(huán)境，揭示了超導(dǎo)與絕緣相之間的過渡現(xiàn)象。這一實驗通過精確調(diào)節(jié)外部電磁環(huán)境，證實了傳統(tǒng)的約瑟夫森效應(yīng)與電阻環(huán)境之間的相互作用，進一步驗證了Schmid–Bulgadaev相變的存在。2）實驗通過對傳輸線中環(huán)境模式的頻譜分析，得到了環(huán)境光子散射的不同時期行為。研究發(fā)現(xiàn)，在足夠弱的約瑟夫森結(jié)情況下，散射光子表現(xiàn)為電感或電容的特性，分別對應(yīng)超導(dǎo)和絕緣相，并且這些相的轉(zhuǎn)變在阻抗達到某個臨界值時得到了明顯的觀察。這些結(jié)果表明，在相變邊界附近，量子波動增強了結(jié)的非線性，使得結(jié)表現(xiàn)為一個電阻器，提供了量子臨界動力學(xué)的有力證據(jù)。3）實驗結(jié)果表明，外部環(huán)境的阻抗對超導(dǎo)-絕緣相的過渡起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)阻抗接近理論預(yù)測的臨界值（RQ）時，約瑟夫森結(jié)表現(xiàn)出從超導(dǎo)相到絕緣相的轉(zhuǎn)變，量子波動起到了決定性作用。這一發(fā)現(xiàn)為超導(dǎo)量子器件的設(shè)計提供了新的理論支持，也揭示了超導(dǎo)-絕緣轉(zhuǎn)變中量子臨界現(xiàn)象的潛在應(yīng)用。
圖文解讀
圖1:從電阻器“內(nèi)部”觀察的Schmid–Bulgadaev轉(zhuǎn)變。
總結(jié)展望
結(jié)論顯示，暴露于適當(dāng)設(shè)計的歐姆耗散的約瑟夫森結(jié)經(jīng)歷了超導(dǎo)到絕緣體的相變，這正如 Schmid 和 Bulgadaev 最初預(yù)測的那樣。在作者的10% 測量誤差范圍內(nèi)，作者發(fā)現(xiàn)結(jié)的參數(shù)對相變邊界 h/4e2沒有影響，盡管 EJ/EC變化超過了 20 倍。例如，最弱的結(jié) EJ/EC=0.03E在 Z/RQ=0.39時仍為超導(dǎo)，而最強的結(jié) EJ/EC=0.68在 Z/RQ=3.01時為絕緣體。需要注意的是，絕緣體的響應(yīng)通常是磁通周期性的，因為Cooper 對仍會在結(jié)中往返穿越，即使凈超導(dǎo)電流為零。響應(yīng)作者的觀察，新的多體數(shù)值建模結(jié)果證實了即使在僅有少數(shù)環(huán)境模式的情況下，相變也出現(xiàn)在 Z=h/4e2，并且其他兩篇理論研究也驗證了作者的觀察結(jié)果。Kuzmin, R., Mehta, N., Grabon, N. et al. Observation of the Schmid–Bulgadaev dissipative quantum phase transition. Nat. Phys. (2024). https://doi.org/10.1038/s41567-024-02695-7
