特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識(shí)。因?qū)W識(shí)有限，難免有所疏漏和錯(cuò)誤，請(qǐng)讀者批判性閱讀，也懇請(qǐng)大方之家批評(píng)指正。原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
電流的標(biāo)準(zhǔn)單位安培是國際單位制基本單位之一，但是以安培為單位精確測(cè)量電流很難。在1990年，人們轉(zhuǎn)而使用V和W作為主要電氣單位。雖然電傳導(dǎo)是一個(gè)復(fù)雜的現(xiàn)象，但帶電粒子的傳輸是由基本電荷和過程持續(xù)時(shí)間或頻率所控制的。如果準(zhǔn)確地知道在給定的時(shí)間內(nèi)有多少電子通過一個(gè)系統(tǒng)傳遞，就能精確地揭示產(chǎn)生了多少電流。大約30年前，隨著納米技術(shù)的出現(xiàn)，基于單電子輸運(yùn)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的概念出現(xiàn)。2019年，根據(jù)基本電荷的固定數(shù)值重新定義了安培。在新定義的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生安培主要參考電流是使用單電子泵器件。泵周期性地從源庫中取出一個(gè)電子，將其沉積在一個(gè)小的受限區(qū)域，即量子點(diǎn)，然后將電子釋放到排放庫中，從而在每個(gè)循環(huán)中完成單電子的轉(zhuǎn)移。在過去的二十年里，這種電子傳遞過程的準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了提高，現(xiàn)在一個(gè)10億次循環(huán)的泵的誤差小于100。如果該泵在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室中被用作初級(jí)安培標(biāo)準(zhǔn)，每十億個(gè)循環(huán)的精度要求在十個(gè)左右。
關(guān)鍵問題：
雖然使用單電子泵可以達(dá)到較高的精度，但在準(zhǔn)確確定安培標(biāo)準(zhǔn)時(shí)仍存在以下關(guān)鍵問題：1. 單電子泵精度難以驗(yàn)證：單電子泵產(chǎn)生的電流很小。器件的工作頻率限制在1GHz左右，由此產(chǎn)生的電流在100pA量級(jí)。2. 提高精度需要大幅度延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間：為了達(dá)到每十億個(gè)周期的誤差小于100，往往需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間來進(jìn)行足夠的電流測(cè)量來平均噪聲。要想在測(cè)量不確定度方面取得理想的改善，需要比這長(zhǎng)100倍的測(cè)量時(shí)間，對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來說需要幾天的時(shí)間，無法實(shí)際應(yīng)用。測(cè)量不確定度主要是噪聲，如果將電流增加到1nA可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)每十億周期10個(gè)誤差的測(cè)量分辨率。基于此，英國倫敦大學(xué)Shaikhaidarov使用納米線構(gòu)建了一種量子相滑裝置，該設(shè)備可以在高達(dá)26 GHz的頻率下工作，產(chǎn)生8.3 nA的電流。量子相滑是指當(dāng)磁通"隧道"穿過超導(dǎo)納米線時(shí)發(fā)生的物理現(xiàn)象，隧穿在導(dǎo)線中產(chǎn)生庫珀對(duì)。磁通隧穿具有使得庫珀對(duì)相移一個(gè)完整的周期的作用，因此稱為“相滑移”。這種相滑移可以用來通過納米線轉(zhuǎn)移Cooper對(duì)，帶上的電荷恰好是(負(fù))基本電荷的兩倍。
1、設(shè)計(jì)雙電路微波誘導(dǎo)傳輸利用超導(dǎo)納米線作為磁通量的隧道原件，納米線具有較高的再俘獲電流。作者在微波驅(qū)動(dòng)下觀察到NbN納米線中不同的dual Shapiro steps。利用超導(dǎo)NbN線構(gòu)建了CQPS結(jié)，展現(xiàn)了明顯的超導(dǎo)行為，實(shí)現(xiàn)了接近100 nA的表觀臨界電流。通過微波激發(fā)電流階躍，探究不同條件下的電流特性曲線，明確最高可見頻率以及頻率優(yōu)化條件，解析dual Shapiro steps出現(xiàn)的臨界條件。通過理論分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)了CQPS理論，實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致，推導(dǎo)了微波輻射影響納米線電壓-電流特性關(guān)系。
1、實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)直流電平流步驟的直接觀測(cè)交流相干量子相滑移（CQPS）被設(shè)想為量子化的“電流步驟”，然而，由于缺乏合適的材料和電路工程方面的挑戰(zhàn)，超導(dǎo)的直流電平流步驟是迄今為止唯一無法實(shí)現(xiàn)的超導(dǎo)的基本效應(yīng)。作者在超導(dǎo)納米線中實(shí)現(xiàn)了dual Shapiro steps的直接觀察。2、在提高精度的同時(shí)大幅度地縮短測(cè)量時(shí)間在使用量子相滑移裝置的等效實(shí)驗(yàn)中，微波作用在超導(dǎo)納米線上驅(qū)動(dòng)磁通量隧穿，以與微波相同的頻率周期性地傳輸庫珀對(duì)。這個(gè)過程發(fā)生的時(shí)間比單電子泵中電子轉(zhuǎn)移的時(shí)間要快得多。3、精心設(shè)計(jì)的電路保護(hù)導(dǎo)線不受外部噪音干擾作者在氮化鈮導(dǎo)線的電流電壓特性中觀察到與量子化條件相一致的電流步驟。電線被嵌入一個(gè)精心設(shè)計(jì)的電路中，以保護(hù)它不受外部噪音的影響，然后冷卻到10毫微爾文。量子力學(xué)二元性規(guī)定超導(dǎo)體的相位和電荷是量子共軛變量。在適當(dāng)?shù)臈l件下，通過超導(dǎo)體傳輸?shù)碾姾蓂和約瑟夫森相φ的動(dòng)力學(xué)之間存在精確的二元性。非線性效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致微波輻射下電流-電壓 (I-V) 特性的階躍形成。作者報(bào)告了在微波驅(qū)動(dòng)下觀察到NbN納米線中不同的dual Shapiro steps。電路的整個(gè)超導(dǎo)部分由原子層沉積生長(zhǎng)的2.7 nm厚超導(dǎo)NbN薄膜制成，臨界溫度Tc=5.8 K，超導(dǎo)間隙在BCS極限Δ≈1 meV。該薄膜電阻R□≈4 kΩ，接近超導(dǎo)體-絕緣體過渡點(diǎn)。
圖 雙電路中微波誘導(dǎo)傳輸?shù)脑?/span>CQPS結(jié)在100 nm寬的NbN條帶中，寬約20 nm，長(zhǎng)約50 nm。長(zhǎng)度為100 nm寬的NbN彎曲在收縮的兩側(cè)形成了高動(dòng)力學(xué)電感。電感的小幾何尺寸使并聯(lián)電容最小化。通過緊湊Pd電阻將引線從超導(dǎo)結(jié)構(gòu)中分離出來。通過Pd制作的Cκ≈0.1 fF的兩個(gè)耦合電容發(fā)射高頻微波信號(hào)。該器件具有明顯的超導(dǎo)行為，具有100nA的表觀臨界電流。
作者探究了微波激發(fā)下的電流階躍以及I-V曲線的變化，明確了可見的最高頻率為31 GHz。頻率受傳輸線帶寬的限制，可以通過優(yōu)化設(shè)置進(jìn)一步增加。此外，通過改變實(shí)驗(yàn)條件，發(fā)現(xiàn)只有臨界電壓在0.2 μV<Vc*<30μV范圍內(nèi)的樣品才表現(xiàn)出dual Shapiro steps。
圖 四探針I(yè)-V 測(cè)量中的逆Shapiro steps作者通過對(duì)CQPS理論的總結(jié)與推導(dǎo)，解析了微波輻射與電流-電壓特性曲線之間的關(guān)系，并得出了對(duì)任何外部阻抗和噪聲都有效的通用公式。作者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中電流平臺(tái)的有限斜率主要是由電阻器的熱噪聲引起的，通過加熱電阻器，驗(yàn)證了作者的理論分析。基于此，繪制了具有不同臨界電壓Vc樣本的dV/dI峰值位置與頻率的關(guān)系。
本工作的研究結(jié)果對(duì)計(jì)量學(xué)家來說是個(gè)好消息。儀器制造商、校準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室以及需要精確測(cè)量電流的人，都將受益于這種新方法提高的精度和靈敏度。然而，觀察到的電流步驟與施加到器件上的電壓相比并不是完全平坦的，因此量化參考電平的精度目前不超過10%。作者認(rèn)為，改進(jìn)的噪聲濾波將實(shí)現(xiàn)在每十億周期10個(gè)(或更少)誤差的水平以滿足計(jì)量應(yīng)用所需，但需要準(zhǔn)確性比報(bào)道的高1000萬倍。
Rais S. Shaikhaidarov, et al. Quantized current steps due to the a.c. coherent quantum phase-slip effect. Nature, 2022.
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04947-z
Masaya Kataoka, et al. Nanowire device slips ahead in race to a primary standard for current. Nature, 2022.
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01994-4
