Микрофотография графеновых сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств.
Авторы и права: Месселот и др. (ПРЛ, 2024).

Джозефсоновские переходы, компоненты, на которых было основано устройство команды учёных, связывают два сверхпроводящих материала вместе посредством слабой связи. В квантовой технологии эти переходы позволяют хранить и обрабатывать квантовую информацию с минимальными потерями, позволяя току течь через устройства без сопротивления — специфическое свойство сверхпроводников ниже их температуры перехода.

В рамках своего недавнего исследования исследователи из Университета Гренобль-Альпы решили напрямую измерить, как этот поток тока зависит от разницы в сверхпроводящей фазе между двумя сторонами перестраиваемых затвором джозефсоновских переходов на основе графена в их устройстве. Это измерение имеет ключевое значение, поскольку его можно использовать для разработки сверхпроводящих квантовых схем с тщательно подобранными свойствами.

«Изучив существующую литературу, мы поняли, что, хотя в последние годы сообщество проявляет растущий интерес к фазовым соотношениям тока sin(2φ) в сверхпроводящих схемах, прямых измерений такого соотношения в используемых в настоящее время устройствах не существует», — Жюльен Ренар, автор статьи. «Мы решили разработать эксперимент, который позволил бы провести это измерение и получить прямую визуализацию такого текущего фазового соотношения».

Вверху: Интерференция куперовских пар в графеновом сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве.
Внизу: В устройстве электрический транспорт происходит благодаря парам Купера.
Авторы и права: Месселот и др.

В своем эксперименте Ренар и его коллеги измерили напряжение в графеновом сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве, которое они разработали, в зависимости от параметров, управляемых извне, таких как магнитное поле. Их установка основывалась на усовершенствованном методе одновременного контроля и считывания текущего фазового соотношения пары джозефсоновских переходов в их устройстве.

«Магнитное поле позволяет [нам] изменять фазу в сверхпроводящем интерференционном устройстве», — объяснил Ренар. «Измеренные сигналы, с другой стороны, позволяют извлечь ток. Таким образом мы можем напрямую измерить соотношение фаз тока устройства».

Прямые измерения, проведенные этой исследовательской группой, показали, что их устройство может вести себя как элемент sin(2φ). По сути, это означает, что ток, протекающий через их устройство, следует определенной схеме, представленной sin(2φ), на которую не влияет более простая схема sin(φ), характеризующая поток тока через более традиционные джозефсоновские переходы.

Экспериментальные методы, использованные Ренаром и его коллегами, и четкое соотношение фаз тока, которое они наблюдали в своем устройстве, вскоре могут способствовать развитию технологий квантовых вычислений. В своих следующих исследованиях исследователи планируют использовать свою недавнюю работу с целью разработки новых квантовых битов, защищенных от декогеренции.

«Мы показали, что, объединив два графеновых джозефсоновских перехода в сверхпроводящем квантовом интерференционном устройстве, мы можем получить фазовое соотношение тока sin(2φ) благодаря контролю интерференционных эффектов между куперовскими парами с помощью магнитного поля», — сказал Ренар. «Такое графеновое сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство может стать строительным блоком будущего поколения квантовых битов, защищенных от декогеренции. Теперь мы будем работать над поиском подходящей геометрии схемы для создания такого квантового бита».