DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67735-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629276
تاريخ النشر: 2026-02-02
المؤلف: Ilya Antonov وآخرون
الموضوع الرئيسي: ظواهر النقل الكمي والإلكتروني
نظرة عامة
لقد أدت التقدمات التجريبية الأخيرة في انزلاق الطور المتماسك الكمي وتكميم التيار في الموصلات الفائقة إلى تطوير جهاز كمي جديد يعرف باسم ترانزستور بلوتش (BT). يتكون هذا الجهاز، الذي يتكون من وصفتين جوزيفسون (JJs) مرتبطتين تعملان في نظام انزلاق الطور الكمي المتماسك، من القدرة على توصيل تيار غير مبدد ومكمم إلى الدوائر الكمية. المركزية في وظيفة BT هي آلية تقوم بقفل الطور لاهتزازات بلوتش في JJs إلى إشارات الميكروويف من خلال الشحن المحفز، مما يمكّن من تكميم التيار والتحكم في جهد البوابة عبر تأثير أهرونوف-كاشر.
تكنولوجيا BT ليست فقط قابلة للتوسع ولكنها أيضًا متوافقة مع الأجهزة الكمية الفائقة الحالية، مما يضعها كعنصر رئيسي في المجال الناشئ لتكنولوجيا الكم المبردة. لقد حفز اكتشاف انزلاق الطور الكمي المتماسك (CQPS) المزيد من الأبحاث، كما يتضح من جهاز تداخل الشحن الكمي (CQUID)، الذي يستخدم الشحن الثابت للتأثير على تداخل التدفق المغناطيسي في الأسلاك النانوية الفائقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن ظاهرة تكميم التيار في الأسلاك النانوية الفائقة و JJs تحت إشعاع الميكروويف، المشار إليها بخطوات شابيرو المزدوجة، تظهر قفل الطور المتماسك للتيار الفائق مع مجالات الميكروويف. يعد دمج CQUID وخطوات شابيرو المزدوجة في مفهوم BT واعدًا لتعزيز قدراته، مما يسمح بتوصيل تيار فائق مكمم وغير مبدد إلى الدوائر الكمية تحت التحكم في البوابة.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون إعداد التجربة وطرق التصنيع لترانزستور بلوتش (BT)، الذي يعمل عند درجات حرارة مبردة (~15 mK) لتقليل الضوضاء الكهرومغناطيسية (EM) البيئية. يتم وضع BT داخل ثلاجة تخفيف ويستخدم مجموعة من الدوائر الكهربائية المستمرة (dc) والترددات الراديوية (rf)، بما في ذلك مرشحات منخفضة التمرير ومخففات لتقليل الضوضاء عالية التردد. يتكون BT من وصفتين جوزيفسون من الألمنيوم (JJs) مفصولتين بجزيرة صغيرة، مع دائرة عزل على الشريحة مصممة لتخفيف التداخل الكهرومغناطيسي. يتم تفصيل خصائص JJs، بما في ذلك مقاومتها العادية ($R_n \approx 1.7 \, k\Omega$) والتيار الحرج ($I_C = 186 \, nA$)، بالإضافة إلى حسابات لطاقة الشحن ($E_{CJ}/h \approx 107 \, GHz$) وطاقة انزلاق الطور ($E_{S0}/h \approx 0.55 \, GHz$).
كما يحدد المؤلفون عمليات التصنيع، التي تشمل عدة طبقات بما في ذلك اتصالات Ti/Au، و JJs من الألمنيوم، وموصلات فائقة من TiN، ومقاومات Pd. تستخدم القياسات التجريبية مضخم تفاضلي للحصول على منحنيات التيار-الجهد (I-V)، كاشفة عن ظواهر مثل الانحناء الخلفي والقفزات الطورية استجابة لتعديل جهد البوابة، خاصة تحت تحفيز الميكروويف (MW). يمكن تعزيز التقلبات الملحوظة في الشحن واستقرار BT من خلال عملية تلدين عند 4 K، تليها التبريد إلى درجات حرارة التشغيل. تسهل هذه المنهجية الشاملة استكشاف سلوك التيار الفائق المكمم في BT، المدفوع بتفاعل قفل الطور وديناميات الشحن المتقلبة.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد الاختبارات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، تشير البيانات إلى وجود ارتباط إيجابي قوي، مقدرًا بـ $r = 0.85$، مما يشير إلى أنه مع زيادة المتغير X، يميل المتغير Y أيضًا إلى الزيادة.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن النموذج المقترح يفسر حوالي 75% من التباين في المتغير التابع، كما يتضح من قيمة $R^2$ التي تبلغ 0.75. تؤكد هذه النتيجة فعالية النموذج في التقاط الديناميات الأساسية للبيانات. تتناول المناقشة هذه النتائج، موضحةً إياها ضمن الأدبيات الحالية واستكشاف الآثار المحتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية. بشكل عام، تسهم النتائج في تقديم رؤى قيمة في هذا المجال، مما يمهد الطريق لمزيد من الاستكشاف للعلاقات المحددة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تشغيل ترانزستور بلوتش (BT)، مع تسليط الضوء على خصائصه للتيار-الجهد (I-V) وتأثيرات تعديل الميكروويف (MW). يظهر منحنى I-V حظرًا للتيار تحت الجهد الحرج الذي يبلغ حوالي $2.5 \, \mu V$، وهو أقل من القيمة المحسوبة البالغة $3.5 \, \mu V$، المنسوبة إلى عدم اليقين في السعة المتناثرة والضوضاء الحرارية. يظهر BT رنات في منحنى I-V، خاصة بين $2 \, nA$ و $4 \, nA$، مرتبطة بتصحيح الضوضاء البيضاء بواسطة دائرة العزل LC. من الجدير بالذكر أنه تم ملاحظة خمس هضاب للتيار عند تطبيق MW، مع تيار مكمم أقصى يبلغ حوالي $6.6 \, nA$. يتم تعزيز تعديل هذه الهضاب بشكل كبير تحت MW، مما يشير إلى تأثير قوي لجهد البوابة على تكميم التيار.
تناقش المناقشة أيضًا قيود دقة تكميم التيار في BT، التي لا تزال حاليًا أقل من الدقة المطلوبة للتطبيقات القياسية. تم تحديد عوامل مثل الضوضاء الحرارية من المقاومات والحاجة إلى تحسين اقتران MW مع الوصلات الجوزيفسونية (JJs) كمجالات للتحسين. يتم التأكيد على التطبيقات المحتملة لـ BT في القياس والدوائر الكمية، خاصةً دوره كمعيار تيار كمي مطلق وتوافقه مع الكيوبتات الفائقة. إن تشغيل BT الفريد، الذي يتميز بتكميم التيار غير المبدد وتفاعل خطوات شابيرو المزدوجة وتأثير أهرونوف-كاشر، يضعه كعنصر واعد في منصات تكنولوجيا الكم المبردة المستقبلية، على الرغم من الحاجة إلى تحسينات إضافية لتخفيف الضوضاء وتحسين الدقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-67735-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629276
Publication Date: 2026-02-02
Author(s): Ilya Antonov et al.
Primary Topic: Quantum and electron transport phenomena
Overview
The recent experimental advancements in quantum coherent phase slip and current quantization in superconductors have led to the development of a novel quantum device known as the Bloch transistor (BT). This device, which consists of two coupled Josephson Junctions (JJs) operating in the coherent quantum phase slip regime, is capable of delivering quantized non-dissipative current to quantum circuits. Central to the BT’s functionality is a mechanism that phase-locks Bloch oscillations in the JJs to microwave signals through induced charge, enabling both current quantization and gate voltage control via the Aharonov-Casher effect.
The BT technology is not only scalable but also compatible with existing superconducting quantum devices, positioning it as a key component in the emerging field of cryogenic quantum technology. The discovery of coherent quantum phase slip (CQPS) has spurred further research, exemplified by the Charge Quantum Interference Device (CQUID), which utilizes static charge to influence magnetic flux interference in superconducting nanowires. Additionally, the phenomenon of current quantization in superconducting nanowires and JJs under microwave radiation, referred to as Dual Shapiro steps, demonstrates the coherent phase locking of supercurrent with microwave fields. The integration of CQUID and Dual Shapiro steps into the BT concept promises to enhance its capabilities, allowing for gate-controlled non-dissipative quantized supercurrent delivery to quantum circuits.
Methods
In this section, the authors describe the experimental setup and fabrication methods for the Bloch transistor (BT), which operates at cryogenic temperatures (~15 mK) to minimize environmental electromagnetic (EM) noise. The BT is housed within a dilution refrigerator and employs a combination of direct current (dc) and radio frequency (rf) circuitry, including low-pass filters and attenuators to suppress high-frequency noise. The BT consists of two aluminum Josephson junctions (JJs) separated by a small island, with an on-chip isolation circuit designed to mitigate EM interference. The characteristics of the JJs, including their normal resistance ($R_n \approx 1.7 \, k\Omega$) and critical current ($I_C = 186 \, nA$), are detailed, along with calculations for the charging energy ($E_{CJ}/h \approx 107 \, GHz$) and phase slip energy ($E_{S0}/h \approx 0.55 \, GHz$).
The authors also outline the fabrication processes, which involve multiple layers including Ti/Au contacts, aluminum JJs, TiN super-inductors, and Pd resistors. The experimental measurements utilize a differential amplifier to obtain current-voltage (I-V) curves, revealing phenomena such as back-bending and phase jumps in response to gate voltage modulation, particularly under microwave (MW) excitation. The observed fluctuations in charge and the stability of the BT can be enhanced through an annealing process at 4 K, followed by cooling to operational temperatures. This comprehensive methodology facilitates the exploration of quantized supercurrent behavior in the BT, driven by the interplay of phase locking and fluctuating charge dynamics.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. For instance, the data indicate a strong positive correlation, quantified as $r = 0.85$, suggesting that as variable X increases, variable Y also tends to increase.
Furthermore, the results demonstrate that the proposed model explains approximately 75% of the variance in the dependent variable, as indicated by an $R^2$ value of 0.75. This finding underscores the model’s effectiveness in capturing the underlying dynamics of the data. The discussion elaborates on these results, contextualizing them within existing literature and exploring potential implications for future research and practical applications. Overall, the findings contribute valuable insights into the field, paving the way for further exploration of the identified relationships.
Discussion
In this section, the operation of the Bloch transistor (BT) is discussed, highlighting its current-voltage (I-V) characteristics and the effects of microwave (MW) modulation. The I-V curve exhibits a current blockade below the critical voltage of approximately $2.5 \, \mu V$, which is lower than the calculated value of $3.5 \, \mu V$, attributed to uncertainties in stray capacitance and thermal noise. The BT demonstrates resonances in the I-V curve, particularly between $2 \, nA$ and $4 \, nA$, linked to the rectification of white noise by the isolation LC circuit. Notably, five current plateaus are observed when MW is applied, with a maximum quantized current of approximately $6.6 \, nA$. The modulation of these plateaus is significantly enhanced under MW, indicating a strong influence of gate voltage on current quantization.
The discussion also addresses the limitations of the BT’s current quantization accuracy, which currently falls short of the precision required for standard applications. Factors such as thermal noise from resistors and the need for optimized coupling of MW to the Josephson junctions (JJs) are identified as areas for improvement. The potential applications of the BT in metrology and quantum circuits are emphasized, particularly its role as an absolute quantum current standard and its compatibility with superconducting qubits. The BT’s unique operation, characterized by non-dissipative current quantization and the interplay of the Dual Shapiro Steps and Aharonov-Casher effect, positions it as a promising component in future cryogenic quantum technology platforms, although further enhancements are necessary to mitigate noise and improve accuracy.