一作兼通讯，超导，再发Nature Physics！
米测MeLab
2024-12-09
研究背景
约瑟夫森结是由两片超导材料通过绝缘层隔开的结构，广泛应用于量子计算、超导电子学以及传感器等领域。约瑟夫森效应是其核心特性之一，表现为两超导体之间的电流可以穿过绝缘层而不产生电压。尽管约瑟夫森效应在超导技术中具有重要应用，但随着环境阻尼的变化，特别是外部电阻的影响，约瑟夫森接点的行为会经历超导到绝缘体的量子相变。与传统的约瑟夫森接点研究相比，这一相变的研究涉及更多的量子力学效应及其对设备性能的影响。然而，传统的约瑟夫森效应模型并未完全揭示环境阻力对超导接点相变的深刻影响。尤其是在高阻值电阻环境下，约瑟夫森接点的量子相变呈现出不确定性，常规实验难以观察到这一相变的关键临界点。这带来了对约瑟夫森效应的理解及其在量子计算等高精度领域应用的挑战。为了解决这一问题，美国威斯康星大学麦迪逊分校Roman Kuzmin教授以及马里兰大学Vladimir E. Manucharyan课题组合作在“Nature Physics”期刊上发表了题为“Observation of the Schmid–Bulgadaev dissipative quantum phase transition”的最新论文。该团队提出了Schmid-Bulgadaev量子相变理论，并通过引入一个多模腔谐振器模型，成功观测到超导接点与环境电阻之间的相变。他们通过调节约瑟夫森接点的电阻，发现了从超导到绝缘体的转变，并提出这种转变的临界阻抗与理论值相符。具体来说，团队在实验中利用长传输线段的环境，探测了超导接点对环境中驻波模式的影响。研究表明，当电阻较小时，超导接点表现为电感行为，而当电阻较大时，则表现为电容行为，从而成功观察到超导和绝缘体相的转换。通过这项工作，研究人员不仅验证了Schmid-Bulgadaev相变的存在，还发现量子波动作用增强了接点的非线性，使得接点在相变临界点处行为像一个理想的电阻器。这一机制为超导与绝缘相之间的转变提供了新的物理图景，具有极大的潜力为量子计算、超导传感器等领域的应用提供新的技术路径和理论依据。
研究亮点
1）实验首次观察到Schmid–Bulgadaev相变，通过在电阻性环境中实现约瑟夫森结的动态行为。研究人员利用电磁波传输线和具有不同阻抗的环境，揭示了超导与绝缘相之间的过渡现象。这一实验通过精确调节外部电磁环境，证实了传统的约瑟夫森效应与电阻环境之间的相互作用，进一步验证了Schmid–Bulgadaev相变的存在。2）实验通过对传输线中环境模式的频谱分析，得到了环境光子散射的不同时期行为。研究发现，在足够弱的约瑟夫森结情况下，散射光子表现为电感或电容的特性，分别对应超导和绝缘相，并且这些相的转变在阻抗达到某个临界值时得到了明显的观察。这些结果表明，在相变边界附近，量子波动增强了结的非线性，使得结表现为一个电阻器，提供了量子临界动力学的有力证据。3）实验结果表明，外部环境的阻抗对超导-绝缘相的过渡起到了关键作用。当阻抗接近理论预测的临界值（RQ）时，约瑟夫森结表现出从超导相到绝缘相的转变，量子波动起到了决定性作用。这一发现为超导量子器件的设计提供了新的理论支持，也揭示了超导-绝缘转变中量子临界现象的潜在应用。
图文解读
图1:从电阻器“内部”观察的Schmid–Bulgadaev转变。
总结展望
结论显示，暴露于适当设计的欧姆耗散的约瑟夫森结经历了超导到绝缘体的相变，这正如 Schmid 和 Bulgadaev 最初预测的那样。在作者的10% 测量误差范围内，作者发现结的参数对相变边界 h/4e2没有影响，尽管 EJ/EC变化超过了 20 倍。例如，最弱的结 EJ/EC=0.03E在 Z/RQ=0.39时仍为超导，而最强的结 EJ/EC=0.68在 Z/RQ=3.01时为绝缘体。需要注意的是，绝缘体的响应通常是磁通周期性的，因为Cooper 对仍会在结中往返穿越，即使净超导电流为零。响应作者的观察，新的多体数值建模结果证实了即使在仅有少数环境模式的情况下，相变也出现在 Z=h/4e2，并且其他两篇理论研究也验证了作者的观察结果。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
