اثر دیود ابررسانای کوانتومی با راندمان کامل بالای دمای نیتروژن مایع

موضوعات

• دستگاه‌های ابررسانا
• خواص و مواد ابررسانا

چکیده

دیود ابررسانا دستگاهی است که جریان ابررسانا را فقط در یک جهت عبور می‌دهد و جهت مخالف را مسدود می‌کند. معمولاً حالتی که جریان ابررسانا را ندارد، فاقد زوج‌های کوپر است. در این کار نسخه‌ای کمی‌سازی شده از دیود ابررسانا را گزارش می‌کنیم که صرفاً بین حالات دارای زوج‌های کوپر عمل می‌کند. این نوع دیود ابررسانای کوانتومی از پله‌های شاپیرو کمی‌سازی‌شده برای خروجی دیجیتالی بهره می‌برد. دستگاه از ابررساناهای کوپراتی با دمای بالا و پیچیده (twisted) تشکیل شده و ویژگی‌های زیر را نشان می‌دهد. نخستیناً نشان می‌دهیم که رفتار دیود غیرمتقارن می‌تواند با آموزش با پالس‌های جریان، بدون اعمال میدان مغناطیسی خارجی، فعال شود. سپس کارایی کامل دیود را تحت تابش مایکروویو در دمایی بالاتر از دمای نیتروژن مایع به نمایش می‌گذاریم. در نهایت، طبیعت کمی‌سازی خروجی مقاومت بالایی در برابر نویز ورودی ارائه می‌دهد. این ویژگی‌ها فرصت‌های جدیدی برای توسعه مدارهای کوانتومی بدون اتلاف فراهم می‌آورند.

دسترس‌پذیری داده‌ها

داده‌های منبع همراه این مقاله ارائه شده‌اند. این داده‌ها همچنین از طریق بانک داده‌های علمی در آدرس https://doi.org/10.57760/sciencedb.29370 در دسترس می‌باشند.

مراجع

1. اندو، ف. و همکاران. مشاهدهٔ اثر دیود ابررسانا. Nature 584، 373‑376 (2020).
2. هو، ج.، وو، س. و دای، اکس. طراحی پیشنهادی یک دیود جوزفی. Phys. Rev. Lett. 99، 067004 (2007).
3. جیانگ، ک. و هو، ج. اثرهای دیود ابررسانا. Nat. Phys. 18، 1145‑1146 (2022).
4. وو، ه. و همکاران. دیود جوزفی بدون میدان در ساختار وان‌در‑والز. Nature 604، 653‑656 (2022).
5. نادیم، م.، فوهِر، م. س. و وانگ، اکس. اثر دیود ابررسانا. Nat. Rev. Phys. 5، 558‑577 (2023).
6. پال، ب. و همکاران. اثر دیود جوزفی ناشی از تکانهٔ زوج‌های کوپر در نیم‌رسانای توپوگرافیک. Nat. Phys. 18، 1228‑1233 (2022).
7. لو، ت. و همکاران. اثر دیود ابررسانا و الگوهای تداخل در کاگوم CsV₃Sb₅. Nature 630، 64‑69 (2024).
8. هولمز، دی. اس.، ریپل، ای. ال. و مانهایمر، م. ا. محاسبات ابررسانایی با بازدهٔ انرژی—بودجهٔ توان و نیازمندی‌ها. IEEE Trans. Appl. Supercond. 23، 1701610 (2013).
9. سولوویف، آی. آی. و همکاران. فراتر از فناوری‌های مور: اصول عملیاتی یک جایگزین ابررسانا. Beilstein J. Nanotechnol. 8، 2689‑2710 (2017).
10. سمنوف، وی. ک.، پلی‌یاکوف، ی. ای. و تپلوگو، اس. ک. ادغام مقیاس‌بالای بسیار حافظه‌های دسترسی تصادفی ابررسانا مبتنی بر پیوند جوزفی. IEEE Trans. Appl. Supercond. 29، 1‑9 (2019).
11. سئوانه، ر. س. و همکاران. اثر دیود جوزفی در اینترفروماتورهای جریان ابررسانا. Phys. Rev. Lett. 129، 267702 (2022).
12. زازونوف، ای. و همکاران. نزدیک‌شدن به بازگردانی ایده‌آل در دیودهای ابررسانا از طریق بازتاب‌های چندگانهٔ اندریو. پیش‌چاپ در https://arxiv.org/abs/2307.14698 (2023).
13. بوزکورت، ای. ام. و همکاران. مهندسی دو‑فوریهٔ روابط انرژی‑فاز جوزفی به‌کار رفته در دیودها. SciPost Phys. 15، 204 (2023).
14. سئوانه، ر. س. و همکاران. تنظیم پاسخ دیود جوزفی با جریان متناوب. Phys. Rev. Res. 6، L022002 (2024).
15. والنتینی، م. و همکاران. حمل‌ونقل زوج‌های کوپر حفظ‌کنندهٔ تقارن و دیود ابررسانای ایده‌آل در ژرمان مسطح. Nat. Commun. 15، 169 (2024).
16. چیلز، ج. و همکاران. جریان‌های ابررسانا غیرمتقارن در تریود جوزفی گرافن بدون میدان. Nano Lett. 23، 5257‑5263 (2023).
17. دائدو، ای. و همکاران. ابررسانایی یک‌طرفه و اثر دیود ابررسانا ناشی از تلفات. Phys. Rev. B 111، L020508 (2025).
18. وانگ، ه. و همکاران. تونل‌زنی جوزفی برجسته بین صفحات تک‌لایه‌ اکسید مس پیچیدهٔ Bi₂Sr_2‑xLa_xCuO_6+y. Nat. Commun. 14، 5201 (2023).
19. ژو، ی. و همکاران. تونل‌زنی جوزفی پایدار بین قطعات Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x که به‌صورت ۴۵° پیچیده‌اند در سراسر گنبد ابررسانایی. Phys. Rev. B 108، 174508 (2023).
20. ژو، ی. و همکاران. حضور جفت‌گیری s‑موجی در پیوندهای جوزفی ساخته‌شده از لایه‌های فوق‌باریک Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x. Phys. Rev. X 11، 031011 (2021).
21. گوش، س. و همکاران. دیود جوزفی با دمای بالا. Nat. Rev. Phys. 5، 558‑577 (2024).
22. ناغائوسا، ن. و همکاران. مفهوم هندسهٔ کوانتومی در فرآیندهای اپتو الکترونیک در جامدها: کاربرد در سلول‌های خورشیدی. Adv. Mater. 29، 1603345 (2017).
23. ژانگ، ی. ج. و همکاران. افزایش اثر فتوولتائیک داخلی در نانو لوله‌های دی‌سولفید تنگستن. Nature 570، 349‑353 (2019).
24. کاراپلا، گ.، گرناتا، و.، روسو، ف. و کوستابیل، گ. دیود ورتکس آبریکوسوف دوحالت‌دار ساخته‌شده از ساختار دو لایه‌ای پی‑نیوب (Py–Nb) فرو مغناطیس‑ابررسانا. Appl. Phys. Lett. 94، 242504 (2009).
25. هوپر، ج. و همکاران. شبکهٔ جوزفی غیرعادی در سیستم یوتکتیک Ru‑Sr₂RuO₄. Phys. Rev. B 70، 014510 (2004).
26. دیز‑مریدا، ج. و همکاران. پیوندهای جوزفی با شکست تقارن و دیودهای ابررسانا در گرافن دو‑لایه‌ای پیچیده با زاویهٔ جادویی. Nat. Commun. 14، 2396 (2023).
27. لیو، ی.‑ی. و همکاران. اثر دیود ابررسانا از طریق سوراخ‌های نانو به‌صورت نگاشت هم‌ارزی. Nat. Commun. 12، 2703 (2021).
28. باومگارتنر، س. و همکاران. بازگردانی جریان ابررسانا و اثرهای مگنتوکریال در پیوندهای جوزفی متقارن. Nat. Nanotechnol. 17، 39‑44 (2022).
29. بائوریدل، ل. و همکاران. اثر دیود جریان ابررسانا و ناهمگونی مگنتوکریال در چند لایه NbSe₂. Nat. Commun. 13، 4266 (2022).
30. جون، ک.‑ر. و همکاران. دیودهای جریان ابررسانای جوزفی قابل معکوس‌بازگشت در میدان صفر که با مانع Pt مغناطیسی همسایگی فعال می‌شود. Nat. Mater. 21، 1008‑1013 (2022).
31. لین، ج.‑خ. و همکاران. اثر دیود ابررسانای در گرافن سه‑لایه‌ای با زاویهٔ کوچک‌چرخش، بدون میدان. Nat. Phys. 18، 1221‑1227 (2022).
32. ناریتا، ه. و همکاران. اثر دیود ابررسانای بدون میدان در لایه‌های ترکیبی ابررسانا/فرو مغناطیس غیرمرکزی. Nat. Nanotechnol. 17، 823‑828 (2022).
33. تورینی، ب. و همکاران. اثر دیود جوزفی در نانوفلاج‌های InSb با تحرک بالا. Nano Lett. 22، 8502‑8508 (2022).
34. پورتولِس، ای. و همکاران. یک SQUID تک‌تک‌قابل تنظیم در گرافن دوتل پیچیده. Nat. Nanotechnol. 17، 1159‑1164 (2022).
35. هو، ی. و همکاران. اثر دیود ابررسانای فراگیر در فیلم‌های نازک ابررسانا. Phys. Rev. Lett. 131، 027001 (2023).
36. کیاهوفر، ر.، جونگ، ه.، راشیدی، ا.، بَلنتس، ل. و استمر، س. اثر دیود ابررسانای غیرعادی در ابررسانای قطبی. Phys. Rev. B 107، L100504 (2023).
37. ماستسوی، ه. و همکاران. جریان بحرانی غیرمتقارن در فیلم YBa₂Cu₃O₇ که به‌صورت مورب با یون‌ها پرتوده شده است. Appl. Phys. Lett. 122، 172601 (2023).
38. یون، ج. و همکاران. اثر دیود ابررسانای القا‌شده توسط همسایگی مغناطیسی و مقاومت‌مغناطیسی بی‌نهایت در ساختار ون‌در‑والز. Phys. Rev. Res. 5، L022064 (2023).
39. لیو، ف. و همکاران. اثر دیود ابررسانا تحت تقارن وارون زمان. Sci. Adv. 10، eado1502 (2024).
40. چن، پ. و همکاران. اثر ادلسشتاین القایی در دیود ابررسانا در پیوندهای جوزفی MoTe₂ با شکست تقارن وارونگی. Adv. Funct. Mater. 34، 2311229 (2024).
41. کیم، ج.‑ک. و همکاران. غیرمتقارن‌بودن جریان ابررسانای ذاتی که به ساختار بلوری مانع جوزفی ون‑در‑والز مرتبط است. Nat. Commun. 15، 1120 (2024).
42. لی، س. و همکاران. اثر دیود ابررسانای غیرمتعارف از طریق ضدتقارن و شکست ضدتقارن. Nano Lett. 24، 4108‑4116 (2024).
43. ژائو، س. ی. اف. و همکاران. ابررسانایی شکست تقارن وارون زمان بین ابررساناهای کوپراتی پیچیده. Science 382، 1422‑1427 (2023).
44. وانگ، ز. س. و همکاران. همبستگی میان فاصله انتقال بار و حداکثر دمأ انتقال در Bi₂Sr₂Ca_n‑1Cu_nO_2n+4+δ. Science 381، 227‑231 (2023).
45. کان، او. و همکاران. ابررسانایی توپوژنی با دمای بالا در لایه‌های دوتل توپی شدهٔ اکسیدهای مس. Nat. Phys. 17، 519‑524 (2021).
46. وولکوف، پ. ا. و همکاران. اثرهای دیود جوزفی در ابررساناهای گره‌های پیچیده. Phys. Rev. B 109، 094518 (2024).
47. نیدروست، م. و همکاران. میدان بحرانی پایین Hc₁ و موانع ورود ورتکس در بلورهای Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+δ. Phys. Rev. Lett. 81، 3231‑3234 (1998).
48. کلِم، ج. ر.، کافی، م. و هو، ز. میدان بحرانی پایین مدل لایه‌ای با پیوند جوزفی در ابررساناهای دمای بالا. Phys. Rev. B 44، 2732‑2738 (1991).
49. یوان، ای. سی. و همکاران. شکستن تقارن وارون زمان ناشی از ناهمگونی در پیوندهای پیچیدهٔ کوپراتی. Phys. Rev. B 108، L100505 (2023).
50. گو، گ. دی. و همکاران. بلور بزرگ تک‑تکه Bi‑2212 در راستای محور c تولید شده توسط روش ناحیه شناور. J. Cryst. Growth 130، 325‑329 (1993).
51. لیو، ج. و همکاران. تحول ساختار فراسازگاری و ساختار الکترونی با جایگزینی Pb در ابررساناهای (Bi_2‑xPb_x)Sr₂CaCu₂O_8+y. Chin. Phys. B 28، 077403 (2019).

تشکر و قدردانی

از جناب جی. گو برای تأمین بلورهای Bi2212 سپاسگزاریم. این پژوهش از حمایت مالی وزارت علم و فناوری چین (شمارهٔ اعتبار 2022YFA1403100 (D.Z. و Q.-K.X.))، بنیاد ملی علم طبیعی چین (شمارهٔ اعتبار 12141402 (Y.Z.)، 52388201 (D.Z. و Q.-K.X.)، 12361141820 (D.Z.)، 12274249 (D.Z.) و T2425009 (D.Z.))، برنامه نوآوری برای علم و فناوری کوانتومی (شمارهٔ اعتبار 2021ZD0302600 (Y.Z. و Z.L.) و 2021ZD0302400 (D.Z.))، و بنیاد علمی پست‌دکتری چین (شمارهٔ اعتبار GZB20240294 (H.W.) و 2024M751287 (H.W.)) حمایت مالی دریافت کرده است.