研究背景
約瑟夫森結是由兩片超導材料通過絕緣層隔開的結構，廣泛應用于量子計算、超導電子學以及傳感器等領域。約瑟夫森效應是其核心特性之一，表現為兩超導體之間的電流可以穿過絕緣層而不產生電壓。盡管約瑟夫森效應在超導技術中具有重要應用，但隨著環境阻尼的變化，特別是外部電阻的影響，約瑟夫森接點的行為會經歷超導到絕緣體的量子相變。與傳統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效應及其對設備性能的影響。然而，傳統的約瑟夫森效應模型并未完全揭示環境阻力對超導接點相變的深刻影響。尤其是在高阻值電阻環境下，約瑟夫森接點的量子相變呈現出不確定性，常規實驗難以觀察到這一相變的關鍵臨界點。這帶來了對約瑟夫森效應的理解及其在量子計算等高精度領域應用的挑戰。為了解決這一問題，美國威斯康星大學麥迪遜分校Roman Kuzmin教授以及馬里蘭大學Vladimir E. Manucharyan課題組合作在“Nature Physics”期刊上發表了題為“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，成功觀測到超導接點與環境電阻之間的相變。他們通過調節約瑟夫森接點的電阻，發現了從超導到絕緣體的轉變，并提出這種轉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境，探測了超導接點對環境中駐波模式的影響。研究表明，當電阻較小時，超導接點表現為電感行為，而當電阻較大時，則表現為電容行為，從而成功觀察到超導和絕緣體相的轉換。通過這項工作，研究人員不僅驗證了Schmid-Bulgadaev相變的存在，還發現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。這一機制為超導與絕緣相之間的轉變提供了新的物理圖景，具有極大的潛力為量子計算、超導傳感器等領域的應用提供新的技術路徑和理論依據。
研究亮點
1）實驗首次觀察到Schmid–Bulgadaev相變，通過在電阻性環境中實現約瑟夫森結的動態行為。研究人員利用電磁波傳輸線和具有不同阻抗的環境，揭示了超導與絕緣相之間的過渡現象。這一實驗通過精確調節外部電磁環境，證實了傳統的約瑟夫森效應與電阻環境之間的相互作用，進一步驗證了Schmid–Bulgadaev相變的存在。2）實驗通過對傳輸線中環境模式的頻譜分析，得到了環境光子散射的不同時期行為。研究發現，在足夠弱的約瑟夫森結情況下，散射光子表現為電感或電容的特性，分別對應超導和絕緣相，并且這些相的轉變在阻抗達到某個臨界值時得到了明顯的觀察。這些結果表明，在相變邊界附近，量子波動增強了結的非線性，使得結表現為一個電阻器，提供了量子臨界動力學的有力證據。3）實驗結果表明，外部環境的阻抗對超導-絕緣相的過渡起到了關鍵作用。當阻抗接近理論預測的臨界值（RQ）時，約瑟夫森結表現出從超導相到絕緣相的轉變，量子波動起到了決定性作用。這一發現為超導量子器件的設計提供了新的理論支持，也揭示了超導-絕緣轉變中量子臨界現象的潛在應用。
圖文解讀
圖1:從電阻器“內部”觀察的Schmid–Bulgadaev轉變。
總結展望
結論顯示，暴露于適當設計的歐姆耗散的約瑟夫森結經歷了超導到絕緣體的相變，這正如 Schmid 和 Bulgadaev 最初預測的那樣。在作者的10% 測量誤差范圍內，作者發現結的參數對相變邊界 h/4e2沒有影響，盡管 EJ/EC變化超過了 20 倍。例如，最弱的結 EJ/EC=0.03E在 Z/RQ=0.39時仍為超導，而最強的結 EJ/EC=0.68在 Z/RQ=3.01時為絕緣體。需要注意的是，絕緣體的響應通常是磁通周期性的，因為Cooper 對仍會在結中往返穿越，即使凈超導電流為零。響應作者的觀察，新的多體數值建模結果證實了即使在僅有少數環境模式的情況下，相變也出現在 Z=h/4e2，并且其他兩篇理論研究也驗證了作者的觀察結果。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
