Taramalı Kapı Mikroskobu ile Josephson Kavşaklarında Süper Akım Modülasyonu

Şekil: (a) Taramalı Kapı Mikroskobu deneyinin grafiksel gösterimi. Açık mavi bölüm, bağlantı noktasının açıkta kalan yarı iletken bölgesine karşılık gelir. (b) SGM harita ölçümü: Uç konumunun bir fonksiyonu olarak 20 piksel x 20 piksel kritik akım haritası. Uç voltajı V_uç = −10V, arka kapı voltajı V_bg = 9,5V. Sarı kesikli çizgiler karşılık gelir taslak cihazın. (c) Sayısal simülasyon A uç kaynaklı kritik akım modülasyon haritası.

Elektrik, modern teknolojinin temelidir: Etrafımızdaki nesnelerin çoğu, içlerinden geçen elektron akışları sayesinde çalışır. Peki bu akışlar neye benziyor? Bunları herhangi bir şekilde görselleştirebilir miyiz? Elektronların kuantum doğası göz önüne alındığında girişim etkisi gösteriyorlar mı?

Bu sorular akılda tutularak, Taramalı Kapı Mikroskobu 1990'larda Westervelt'in Harvard'daki grubu tarafından geliştirildi. Temel ilkeleri şunlardır:

• Elektron akışında kuantum girişim etkileri elde etmek için bu akışın tutarlı olması gerekir; Bunu sağlamak için nano ölçekli nesnelerdeki elektron akışını kriyojenik sıcaklıklarda görselleştirmek istiyoruz.
• Bunu görselleştirmek için elektron akışını bozmak mümkün olmalıdır; incelenen cihaz bir yarı iletkenden yapılmışsa, bunu kontrol elektrotları aracılığıyla harici voltajlar uygulayarak başarabiliriz (aynı prensip, alan etkili transistörlerin temelinde de vardır).
• Elektron akışı modellerini çözebilmek için, elektron akışını yerel olarak bozmanın mümkün olması gerekir. Bu, hareketli bir kapı elektrodu olarak atomik olarak keskin bir Atomik Kuvvet Mikroskobu ucunun kullanılmasıyla elde edilebilir. Uç, yakınındaki elektronların akışını seçici olarak engelleyen bir bariyer oluşturabilir; Numunenin iletkenliğini ucun konumunun bir fonksiyonu olarak kaydederek, incelenen cihazdaki elektron akışının özelliklerini yeniden yapılandırmak mümkündür.

Son otuz yılda bu teknik, çeşitli materyaller, cihazlar ve dünya çapındaki birçok grup tarafından elektron akışını başarılı bir şekilde görselleştirmek ve yönetmek için uygulandı. Peki neden kendimizi sadece elektronlarla sınırlayalım?

Süperiletkenlik, keşfinden bu yana gündemde olan bir konu; süperiletkenlerde akım, elektron çiftlerinin ortak tutarlı akışıyla taşınır: Cooper çiftleri. Doğal bir süper iletken, süper iletken olmayan normal bir malzemenin, yani bir yarı iletkenin bir bölgesine galvanik olarak bağlandığında, Cooper çiftleri normal malzemenin içine doğru uzanabilir: bu, iyi bilinen süper iletken yakınlık etkisine yol açar. Bu olay sayesinde, eğer bir Süperiletken-Yarıiletken-Süperiletken bağlantısı yeterince temizse, Cooper çiftleri süperiletken elektrotlar arasında yarı iletken bölge boyunca akarak bir süper akım oluşturabilir.

Dahası, bağlantının yarı iletken bölgesi hala elektrostatik olarak kontrol edilebiliyor! Bu, bu tür cihazları Taramalı Geçit Mikroskobu ile inceleyerek, yakınlardaki Cooper çiftlerinin akışını seçici olarak engelleyen yerel, hareketli bir bariyer oluşturmak için ucu kullanabileceğimiz anlamına gelir. Bağlantı noktasının direncini ucun konumunun bir fonksiyonu olarak kaydetmek yerine (süperiletkenlik nedeniyle her zaman sıfır olacaktır), kritik akımını (yani bağlantı noktasının dayanabileceği maksimum dağılmayan akımdır) kaydedersek, bağlantı noktası boyunca süperiletken akışın özelliklerini yeniden oluşturabiliriz. Spesifik olarak bu, kavşaktaki kusurların dağılımı hakkında fikir verebilir veya Josephson girdapları gibi manyetik alanın neden olduğu özelliklerin görselleştirilmesine izin verebilir.

Neden bugüne kadar kimse bunu yapmadı? Çünkü Taramalı Kapı Mikroskobu'nu süperiletken örneklere uygulamak hiç de kolay değil!

• Uç, büyük bir anten görevi görebilir (cihazın boyutuna kıyasla): yüksek frekanslı gürültü, sistem yeterince filtrelenmezse Josephson bağlantılarındaki süperiletkenliği tamamen bastırabilir.
• Yüklü bir metalik ucun açıkta kalan bir yarı iletkenin yakınına yerleştirilmesi, cihazın bütünlüğünü tehlikeye atabilecek deşarjlara neden olabilir.
• Deney, süperiletkenliğin varlığını sağlamak için yeterince düşük sıcaklıkta gerçekleştirilmelidir (InSb nanobayrak tabanlı cihazlarımız için 300 mK): kriyojenik ekipmanı, uç-numune çarpışmalarını önlemek için gereken titreşimsiz ortamla birleştirmek zorlu bir iştir.

2025 yılında nihayet, Taramalı Kapı Mikroskobu kullanarak bağlantı noktalarındaki süper akım akışını manipüle etmenin mümkün olduğunu gösterdik. Ölçümlerimiz sayısal simülasyonlarla mükemmel uyum içindedir. Bu, tekniğin geliştirilmesindeki yalnızca ilk adımdır: Süper akım akışındaki yerel özellikleri araştırabilmek için çözünürlüğü iyileştirmeyi sabırsızlıkla bekliyoruz.

Çalışmamıza buradan bir göz atabilirsiniz: https://doi.org/10.1038/s43246-025-01000-0