高能准粒子具有一系列量子特性，这些特性在超导纳米结构中以粒子状方式运行，并且它们可以通过涉及电子，声子和库珀对之间的许多级联相互作用来经历弛豫。这些相互作用对量子比特或光子探测器等设备的性能具有重要意义，但它们仍有待通过准粒子调控实验得到很好的理解。通常，此类实验将固态隧道结与固定隧道屏障相结合。


(相关资料图)

在Nature Physics的一份新报告中，T. Jalabert和法国的一组研究人员使用扫描隧道显微镜通过偏置电压和隧道电流独立调整准粒子注入的能量和速率。高能准粒子依靠注入功率和注入速率在纳米线上产生降低的临界电流。结果强调了减少临界电流的热机制，以深入了解产生的热点的快速动态。

超导器件的性能

超导器件通常受到准粒子动力学的限制或控制，其中过量的准粒子对超导微冷却器和超导量子比特等器件不利。然而，了解准粒子动力学的精确机制对于优化器件性能并提供操作光子探测器的先决条件非常重要。尽管进行了大量的研究工作，但物理学家仍然需要了解载流超导体中准粒子的能量松弛过程中存在风险的过程。

在最近的一项提案中，实验物理学家开发了一种全金属约瑟夫森场效应晶体管，该晶体管依赖于在施加栅极电压后调节其临界电流。这引起了相当大的争议，因为它暗示了注入高能准粒子后的加热效应。以前的实验也常规地采用一种方法;然而，它阻止了电流和电压效应之间的解开，Jalabert及其同事通过使用扫描隧道显微镜(STM)将准粒子局部注入超导纳米线并同时测量其临界电流来克服这一点。

使用扫描隧道显微镜 (STM) 的实验物理

由于显微镜与分离纳米结构的固有不相容性，因此使用扫描隧道显微镜定位和接触单个纳米结构的过程具有挑战性。物理学家和材料科学家以前专注于将原子力显微镜和STM结合起来，尽管这两种方法在技术上都很乏味。在这项研究中，Jalabert和团队使用STM定位和测量纳米器件，并研究了六根具有不同铌/金标称总厚度的超导纳米线。

他们测量了在纳米线中间注入准粒子后的临界电流，并注意到临界电流如何取决于注入的功率。在热力学框架中，注入装置中的每个准粒子都将其能量放松为声子，从而破坏了数百个库珀对，产生了许多失衡的准粒子，形成了所谓的热点。这种下变频级联发生在非常短的时间内，以皮秒为单位。

热点动态

使用扫描隧道显微镜，Jalabert及其同事将电流绘制为固定隧道条件下尖端位置的函数。随着尖端位置远离引线或注入功率增加，临界电流进一步减小。物理学家根据测量的临界电流确定了局部电子温度，并注意到一维热模型之间的显着一致性。所有实验数据都支持热准粒子诱导的临界电流的热驱动降低。他们展示了热点中过量的准粒子如何降低可用于携带超流体电流的库珀对的密度，这与以前的研究一致。

热点动力学依赖于下转换级联中增殖的准粒子与它们通过扩散逃逸之间的平衡。在此描述的模型中，只有越来越多的失衡准粒子才有意义。热点形成时间为40皮秒，这与准粒子在纳米线宽度上扩散所需的时间相匹配。该团队打算进行进一步的研究，以求解相互作用的准粒子和声子的耦合动力学方程;超出了目前的工作范围。

展望

通过这种方式，T. Jalabert及其同事形成了一种强大的新方法来研究超导纳米结构中局部准粒子的动力学，以调整隧穿速率和准粒子能量。物理学家使用实验装置展示了如何通过注入低几个数量级的准粒子注入电流来显着降低纳米线的临界电流。

他们将结果归功于准粒子的热加热现象;研究结果对场效应晶体管和光子探测器等超导纳米器件的功能产生了直接影响，并增加了未来设计超导量子电路的能力，并改善了准粒子的效果。

关键词：