测个电流，登上Nature！

尽管电传导是一种复杂的现象，但从根本上说，带电粒子的传输受一种简单关系控制，这种关系涉及到基本电荷（等于电子上的电荷量）和传输过程的持续时间或频率。原则上，这一过程可以用来准确测量电流。确切地知道在给定的时间内通过系统传输了多少电子就可以知道产生了多少电流。但是人们很难进行机电实验来产生以安培为测量单位的电流。30多年前，随着纳米技术的出现。人们逐渐将电流标准建立在单个电子传输基础上的概念。2019年，对7个国际基本单位中的四个进行了修订，其中就包括在基本电荷的固定数值方面对安培进行了重新定义。

根据新定义生成安培初级参考电流的最流行方法是使用称为单电子泵的设备。这些泵的工作原理是定期从源储存器中获取一个电子，将其沉淀在一个被称为量子点的小范围内，然后将电子释放到“漏储存器”中，从而在每个周期完成一个电子的转移。在过去的20年里，这种电子转移过程的准确性得到了极大的提升，现在完成一次10亿个循环的泵的误差将少于100个错误。但如果要将泵作为计量实验室的主要安培标准，那么每10亿次循环的误差需要控制在10个错误以内的精度。虽然理论上单电子泵可以达到这样的精度，但很难验证这种精度。这是因为单电子泵产生的电流很小。该设备的工作频率被限制在1千兆赫左右，这就产生了100皮安左右的电流。需要几个小时来进行足够的电流测量，以平均掉噪声，从而达到每十亿个周期少于100个错误。要获得所需的测量不确定度的改进，需要比这长100倍的测量时间，这意味着测量一个数据点需要几天的时间。这个过程太漫长了，无法在实际中实现。然而，由于测量的不确定性是由噪声主导的，可以实现的相对不确定度与电流水平成反比。因此，将电流增加到1纳安，就可以在几个小时内实现每十亿个周期有十个误差的测量分辨率。

现在伦敦大学皇家霍洛威学院的Oleg V. Astafiev教授现在报告了一种通过照射比人的头发还要细几千倍的电线来产生离散的、可测量的电流的方法。该课题组使用的器件，即所谓的量子相位滑动器件，比单电子泵有相当大的优势。作者证明，他们的器件可以在高达26GHz的频率下运行，产生8.3nA的电流。这种方法可以作为安培的量子电流标准—补全电学计量中一个缺失的部分。相关成果以“Quantized current steps due to the a.c. coherent quantum phase-slip effect”为题发表在Nature上。

量子相位滑动指的是当磁通量"隧道"穿过超导纳米线时发生的物理现象，这意味着它的量子力学状态会在线上跳跃。这种隧道事件对导线中的一对电子产生了奇特的影响，即所谓的库珀对。库珀对的波状性质可以用相位来描述，相位是指在任何特定时间内波的周期点。磁通量隧道的作用是使这个相位移动一个完整的周期--因此称为 “相位滑动”。这种相位滑移是关键，因为它可以被用来通过纳米线转移库珀对，带走正好是（负）基本电荷两倍的电荷。

这种现象与约瑟夫森效应有关，其中库珀对穿过超导线之间的间隙的隧道与通过间隙的磁通量的转移有关。当约瑟夫森隧道装置被特定频率的微波照射时，它产生一个与该频率有关的电压阶梯。这被称为交流约瑟夫森效应，并被广泛用作电压计量的基础。

微波诱导的双电路中的传输原理

量子力学对偶性是物理学的一个基本概念，它决定了超导体的相位和电荷是量子共轭的变量。在适当的条件下，在通过超导体转移的电荷q和约瑟夫森相φ的动态之间存在着精确的对偶性，这些动力学建模为2π周期电位中的粒子运动。在这两种情况下，非线性效应导致在微波辐射下的电流-电压（I-V）特性的阶跃。在传统的约瑟夫森交汇处，著名的夏皮罗阶梯出现在电压Vn =Φ0fn，（其中f是微波频率，Φ0 = h/2e是流量量子和n是一个整数（图1a））。与此相对应的是相干量子相位滑移（CQPS）中电流阶梯的形成（图1b）。为了观察高电阻超导体-绝缘体-超导体隧道结中的约瑟夫森效应，可以使用分流电容来抑制相位波动。如图1c所示。同样，对于相干量子相位滑移的观察，应该使用一个串联电感。这可以抑制电荷的波动（图1d）。

图1：微波诱导的双电路中的传输原理

器件与传输测试结果

电路的整个超导部分（图2a）是由2.7nm厚的超导NbN薄膜制成的，其临界温度Tc=5.8K，是通过原子层沉积法制成，其超导间隙在BCS极限Δ≈1meV。该薄膜的表面电阻R□≈4 kΩ，接近超导体-绝缘体过渡点。作者通过两个偏置电阻（每个Rb=100kΩ）向标有I +和I -的导线施加电压V in。长线的有效电容是由虚线画出的。电流以偏置电阻两端的压降来测量。

图2 器件与传输

在微波激励下，电流阶跃发展，I-V曲线急剧变化，图3显示了在频率为f I=14.924 GHz、f II=19.845 GHz和f III=25.963 GHz时测量的I-V特性的阶梯。每个频率的前两个步骤出现在 I ±1(2) = ± 1(2) ×  Q 0 f = ± 2(4) ×  ef，与理论一致。

图3四探针I-V测量中的反夏皮罗台阶

图4dV/dI峰值的震荡

作者认为，实验中电流平台的有限斜率主要是由电阻的热噪声引起的，电阻的热噪声由施加焦耳功率I 2R ≈ 10 −12 的偏置电流加热引起的。d V/d I与I a.c.在电流阶梯上的振荡，这些振荡主要是由贝塞尔函数决定的，在功率增加时，温度上升引起了额外的衰减。作者绘制了具有不同临界电压V的多个样本的峰值位置，这些数据与库帕对电荷2e一致。

小结

Shaikhaidarov和他的同事们的成果对计量学家来说是个好消息。校准测量设备的仪器制造商和实验室以及任何负责精确测量电流的人都将受益于这种新方法所提供的改进的准确性和灵敏度。然而，有一个注意事项：观察到的电流阶梯相对于施加在设备上的电压来说并不完全稳定，所以目前量化参考水平的准确性不超过10%。作者认为，改进的噪声过滤将使步骤在每十亿个周期内有10个（或更少）误差的水平上保持稳定，这是计量应用的要求。但是精度需要比报告的精度好1000万倍，这是一座需要攀登的大山。

来源：高分子科学前沿

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