Bagaimanakah Kesan Josephson Menghasilkan Voltan Kuantum?

Dalam litar biasa, arus melalui bahan bergantung pada voltan, rintangan dan sifat mikroskopik konduktor. Simpang Josephson berkelakuan berbeza. Ia terdiri daripada dua superkonduktor yang digandingkan melalui penghalang atau kawasan lemah yang sangat nipis. Keadaan kuantum pada kedua-dua sisi boleh berinteraksi merentasi penghalang itu, dan inilah kesan Josephson, yang menghasilkan hubungan luar biasa antara arus, voltan, fasa kuantum dan frekuensi.

Apakah simpang Josephson?

Dalam banyak superkonduktor konvensional, elektron membentuk pasangan berkorelasi yang dikenali sebagai pasangan Cooper. Banyak pasangan ini mengambil bahagian dalam keadaan kuantum kolektif yang boleh diterangkan dengan suatu fasa. Sekarang pisahkan dua superkonduktor dengan penghalang yang cukup nipis. Secara klasik, kita mungkin menjangka penghalang itu menghentikan aliran sepenuhnya, tetapi mekanik kuantum membenarkan penerowongan kuantum merentasi penghalang. Dalam simpang Josephson, gandingan antara keadaan superkonduktor pada kedua-dua sisi membolehkan superarus mengalir dalam keadaan tertentu walaupun tiada beza voltan arus terus dikenakan.

Dalam bentuk ideal bagi kesan Josephson arus terus, arus bergantung pada sinus beza fasa antara keadaan kuantum pada kedua-dua superkonduktor, dengan nilai maksimum yang dipanggil arus genting simpang. Beza fasa ini tidak bermaksud sudut fizikal yang boleh dilihat pada cip. Ia ialah pemboleh ubah dalam penerangan kuantum keadaan superkonduktor.

Apa berlaku apabila voltan dikenakan?

Hubungan Josephson kedua mengaitkan kadar perubahan beza fasa dengan voltan. Jika voltan malar dikenakan, beza fasa berubah mengikut masa, dan akibatnya arus Josephson mempunyai komponen yang berayun pada frekuensi f = 2eV/h, dengan e ialah cas asas dan h ialah pemalar Planck. Disusun semula, V = hf/(2e). Inilah jambatan penting antara frekuensi dengan voltan. Hubungan itu tidak bergantung pada ketebalan cip yang diketahui dengan ketepatan luar biasa atau pada nilai sesuatu perintang fizikal, kerana faktor utamanya ialah frekuensi dan pemalar asas.

Mengapa gelombang mikro menghasilkan langkah voltan?

Apabila simpang Josephson dipacu dengan sinaran gelombang mikro berfrekuensi f, ayunan dalaman simpang boleh terselaras dengan pemacu luaran. Dalam keadaan penguncian ini, ciri arus-voltan menunjukkan kawasan voltan malar yang dikenali sebagai langkah Shapiro, dan nilainya memenuhi V = nhf/(2e), dengan n ialah integer. Jadi jika frekuensi diketahui dengan sangat tepat, voltan pada langkah itu turut ditentukan oleh hubungan kuantum tersebut.

Bagi satu simpang, voltan yang dihasilkan lazimnya kecil. NIST menerangkan bahawa voltan berguna untuk piawai metrologi diperoleh dengan menyambungkan beribu-ribu hingga ratusan ribu simpang Josephson dalam siri. Satu reka bentuk NIST, misalnya, menggunakan kira-kira 300,000 simpang untuk menghasilkan piawai boleh atur cara sehingga 10 V.

Daripada satu simpang kepada piawai volt

Bayangkan setiap simpang dalam satu susunan menghasilkan langkah voltan yang diketahui. Jika N simpang yang serupa berada pada langkah yang sesuai secara serentak, jumlah voltan idealnya ialah N kali voltan satu simpang. Oleh sebab frekuensi boleh diukur dan disintesis dengan ketepatan amat tinggi, susunan Josephson menyediakan cara untuk menghasilkan voltan yang berkait terus dengan frekuensi.

Sistem moden tidak semestinya memberikan hanya satu voltan tetap. Programmable Josephson Voltage Standard, atau PJVS, membahagikan susunan simpang kepada beberapa segmen yang boleh dikawal untuk memilih keluaran yang diperlukan. NIST telah membangunkan sistem PJVS 10 V untuk metrologi arus terus dan pengukuran voltan ulang-alik tertentu. Pada 2025, penyelidik NIST turut menerbitkan reka bentuk piawai 2 V dengan dua input frekuensi gelombang mikro, resolusi nanovolt dan keupayaan membuat semakan kendiri frekuensi melalui pengukuran voltan sifar.

Mengapa hubungan ini begitu berguna selepas 2019?

Sistem Unit Antarabangsa, SI, kini ditakrifkan menggunakan nilai tepat pemalar asas. Sejak 20 Mei 2019, antara nilai yang ditetapkan tepat ialah pemalar Planck h, iaitu 6.626 070 15 × 10⁻³⁴ joule saat, dan cas asas e, iaitu 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ coulomb. Oleh sebab hubungan Josephson melibatkan 2e/h, faktor yang menghubungkan frekuensi dengan voltan dapat diperoleh daripada pemalar yang nilainya ditetapkan tepat dalam SI.

Ini penting secara konsep. Volt tidak perlu diwujudkan dengan bergantung pada satu objek fizikal khas yang mesti disimpan selama-lamanya. Makmal yang mempunyai sistem Josephson dan rantaian frekuensi yang sesuai boleh merealisasikan rujukan voltan berdasarkan hukum kuantum yang sama.

Kuantum tidak bermaksud alat sebenar tiada ralat

Hubungan Josephson boleh menghasilkan langkah voltan intrinsik yang sangat stabil, tetapi sistem pengukuran sebenar masih mempunyai kabel, sambungan elektrik, elektronik, gangguan elektromagnet, hingar dan kesan terma. NIST melaporkan bahawa piawai voltan Josephson boleh menghasilkan voltan arus terus sehingga 10 V dengan persetujuan yang lebih baik daripada 1 nV/V pada 10 V dalam konteks sistem yang dibincangkan. Namun angka prestasi sesuatu sistem tidak patut disalahertikan sebagai dakwaan bahawa setiap pengukuran Josephson mempunyai ketidakpastian sifar. Hubungan kuantumnya memberikan rujukan yang amat tepat, tetapi keputusan makmal tetap memerlukan analisis ketidakpastian.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?