Эксперимент, проведенный международной группой ученых в Университете Аалто (Финляндия) и корпорации NEC (Япония), позволил выяснить природу подщелевой утечки в туннельных переходах типа SIN, а также значительно улучшить точность перекачки электронов электронным насосом (устройством на основе одноэлектронного транзистора типа SINIS). Применение шунтирующей емкости повысило точность перекачки на два порядка. Это делает реальным создание прецизионных источников тока с выходным током около 1 нА и относительной точностью не хуже 10^-6. Таких значений достаточно для замыкания квантового метрологического треугольника (в настоящее время имеются квантовые стандарты напряжения и сопротивления). Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters.

Важный элемент многих электронных устройств – туннельные переходы на основе сверхпроводящих материалов. К устройствам с большими туннельными переходами относятся цифровые схемы на основе одноквантовой логики, сверхпроводниковые детекторы, смесители и усилители СВЧ диапазона, магнитометры на основе сквидов, фазовые кубиты.

Туннельные переходы малой площади составляют основу зарядовых и потоковых кубитов, электронных насосов и одноэлектронных транзисторов. Очевидно, что качество тунельных переходов определяет характеристики конечных устройств.

Одним из параметров, характеризующих качество туннельных переходов, является так называемое подщелевое сопротивление – *сопротивление участка вольт-амперной характеристики перехода ниже напряжения щели**.

Согласно теории Бардина-Купера-Шриффера (БКШ), в туннельных переходах из идеального сверпроводника и нормального металла подщелевое сопротивление Rsg связано определенным соотношением с асимптотическим сопротивлением Rn. Например, для алюминиевых переходов (где энергетическая щель около 200 мкэВ) при температуре ниже 100 мК отношение Rn/Rsg должно быть пренебрежимо малой величиной, меньше 5*10^-12. Экспериментально же наблюдаемое значение, как правило, превышает 10^-4 . То есть подщелевое сопротивление на много порядков меньше значения, ожидаемого из теории БКШ.

Такое расхождение часто приписывают существованию подщелевых квазичастичных состояний, дающих вклад в электронный транспорт при малых напряжениях смещения.

Американский физик Дайнс (R.C. Dynes) еще в конце 70-х годов предложил простую формулу для плотности состояний, с помощью которой хорошо воспроизводится подщелевой ток утечки. Такой подход безупречен математически, однако он не дает физического объяснения появлению подщелевых состояний.

«Подщелевая утечка негативно влияет на точность работы электронного насоса на основе одноэлектронного транзистора типа SINIS (для достижения метрологической точности перекачки электронов 10^-8 необходимо достичь значения Rn/Rsg такого же уровня). Однако оказалось, что подщелевую утечку можно объяснить и без предположения о существовании подщелевых состояний. Формулу Дайнса можно получить в рамках простой модели, предположив наличие у туннельного перехода диссипативного электромагнитного окружения с температурой, выше температуры самого перехода. В таком случае энергии, излучаемой омической частью электромагнитного окружения, оказывается достаточно для возбуждения в сверхпроводнике небольшого числа долгоживущих квазичастиц, что приводит к появлению тока утечки ниже щелевого напряжения, даже если температура самого туннельного перехода близка к нулю. Тогда становится понятно, как уменьшить влияние внешнего электромагнитного окружения на транспорт в одиночных туннельных переходах при малых напряжениях смещения – необходимо зашунтировать переход большой емкостью», – говорит один из авторов работы, старший научный сотрудник лаборатории сверхпроводимости ФИАН, кандидат физико-математических наук Юрий Пашкин.

В эксперименте исследователи провели сравнение вольт-амперных характеристик двух SIN-переходов. В переходе с параллельной шунтирующей емкостью отношение Rn/Rsg оказалось более чем на порядок меньше, чем в аналогичном переходе без шунтирующей емкости, что хорошо согласуется с предложенной моделью.

Прямым результатом шунтирования одноэлектронного насоса стала лучшая точность перекачки электронов, которая определяется тем, насколько плоско образующееся токовое плато. В насосах с шунтирующей емкостью улучшение составляет два порядка. Результаты работы опубликованы в одном из самых престижных журналов в области физики Physical Review Letters.