Josephson-liitosten käyttö supravirran ohjaamiseen

Diodin suprajohtava vastine on toteutettu Josephson-liitoksilla, mikä avaa uusia mahdollisuuksia suprajohtavuuden hyödyntämiseen laitteissa

Japanilaisen RIKEN-tutkimuslaitoksen fyysikot ovat luoneet suprajohtavan diodin. Vaikka tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun tällainen laite on toteutettu, tämä esittely tuo esiin uuden menetelmän sen saavuttamiseksi.

Suprajohteet, jotka mahdollistavat sähkövirtojen kulkemisen ilman resistanssia, tarjoavat jännittäviä mahdollisuuksia elektroniikalle. Tämä johtuu siitä, että suprajohtavat piirit ja laitteet lupaavat hyödyntää monenlaisia eksoottisia ilmiöitä, jotka eivät ole mahdollisia tavanomaisissa puolijohdepohjaisissa laitteissa. Niitä voitaisiin esimerkiksi käyttää kvanttitietokoneiden perusrakenneosina.

Yksi tärkeimmistä komponenteista tavanomaisessa piipohjaisessa elektroniikassa on diodi – laite, joka antaa virran kulkea yhteen suuntaan mutta ei toiseen.

Analoginen käsite, suprajohtava diodiefekti on olemassa myös silloin, kun sähköinen resistanssi riippuu siitä, mihin suuntaan virta kulkee. Tämän vaikutuksen osoitti jo vuonna 2020 Kioton yliopiston ryhmä ja sen jälkeen monet muut ryhmät ovat toteuttaneet sellaisen.

Nyt Sadashige Matsuo ja hänen työtoverinsa ovat osoittaneet suprajohtavan diodiefektin uudella tavalla – käyttämällä kahta Josephson-liitoksina tunnettua rakennetta. Erityisesti he pystyivät käyttämään yhtä liitosta hallitsemaan supervirran virtausta toisessa.

Josephson-liitokset koostuvat ohuesta kalvosta ei-suprajohtavasta materiaalista eli esteestä kahden suprajohteen välissä. Joihinkin kriittisiin virtoihin asti elektronit voivat ylittää esteen ilman resistanssia niin sanotussa supravirrassa. Kriittisen virran yläpuolella voi kulkea tavanomainen virta.

Avain suprajohtavan diodiefektin toteuttamiseen oli piirirakenteiden symmetrioiden rikkominen. "Suprajohtavan piirin symmetria, sekä tilassa että ajassa, edellyttää, että kriittiset virrat molemmissa virtaussuunnissa ovat samat", Matsuo selittää. "Rikkomalla tämän symmetrian, kriittinen virta yhteen suuntaan voi olla erilainen kuin toiseen suuntaan." Näin saadaan aikaan suprajohtava diodiefekti.

Matsuo ja tiimi aloittivat peittämällä ohuen mutta laadukkaan kerroksen puolijohteisesta indiumarsenidista kvanttikaivoa alumiinikalvolla. Tälle alustalle he rakensivat sitten kaksi Josephson-liitosta, jotka jakoivat yhden suprajohtavan elektrodin.

Hyvin alhaisessa lämpötilassa ryhmä osoitti, että yhden kytketyn liitoksen vaiheohjaus voi rikkoa aika- ja tilainversioiden symmetriat toisessa liitoksessa.

Tulokset tarjoavat käytännöllisen menetelmän suprajohtavuuden valjastamiseen skaalautuvalla elektronisella alustalla. "Seuraava askel on käyttää Josephson-liitoksiamme muiden eksoottisten suprajohtavien ilmiöiden tutkimiseen", Matsuo sanoo tutkimuslaitoksensa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Monitoiminen suprajohtava diodi

Suprajohtava diodi ilman magneettikenttää

Suprajohteinen diodi