高精度测量提供了有关影响超导体效率过程的重要线索。在这项研究基础上开展的未来工作将为如量子计算机和敏感粒子探测器等一系列超导体设备提供改进。

超导性取决于以库珀对结合在一起的电子的存在。两个电子由于与金属晶格发生相互作用而耦合在一起，尽管相距数百纳米，但它们彼此保持同步。在临界温度以下，这些库珀对充当不耗散能量的流体，因此不会对电流产生电阻。

但是库珀对有时会断裂，消散成两个准粒子，即未配对的电子。这会阻碍超导体的性能。科学家们仍然不知道为什么库珀对会断裂，但准粒子的存在给基于超导体的技术带来了噪音。

在搬到芬兰VTT技术研究中心之前是在阿尔托大学从事准粒子研究的Elsa Mannila说：“即使每十亿个库珀对中只有一个准粒子，这也会限制量子比特的性能并阻止量子计算机完美的运行。如果有更多的未配对粒子，量子比特的寿命也会更短。”

长时间的沉默

了解这些准粒子的起源——换句话说，了解库珀对为什么会断裂——将能提高超导体性能和进一步提高许多依赖于它们的技术。为了回答这个问题，阿尔托大学的研究人员精确测量了超导体中库珀对断裂的动力学。

阿尔托大学的Jukka Pekola教授解释说：“人们通常测量准粒子的平均数量，所以他们不知道随着时间的推移该序列会是什么样的。我们想确切地找出库珀对何时断裂以及有多少对同时断裂。”

阿尔托大学的团队与隆德大学和VTT的研究人员一起开展了一项实验，以实时检测少量的准粒子。该装置由一个微米级的铝超导体组成，它与一个普通导体(金属铜)通过一个薄绝缘层隔开。当超导体中的库珀对断裂时，准粒子将穿过绝缘层到达铜，研究人员在那里用电荷探测器来观察它们。

Mannila说：“真正的挑战在于让许多事情协同工作。”这种分析依赖于只有少量的准粒子，这意味着在阿尔托的OtaNano设施中进行的实验必须屏蔽辐射和外部干扰，并且冷却到几乎为绝对零度。研究人员还需要以微秒的分辨率实时检测隧道事件，他们使用超低噪声超导放大器来实现这一目的。

阵阵的噪音

研究人员发现，库珀对突然破裂，长时间的沉默被非常短的准粒子流打断。Mannila说：“出现的情况是，大部分时间都是沉默的，然后有时有一个或多个库珀对断开，这会导致隧道爆裂。因此，一次重大事件可能会同时破坏多个库珀对组合。”

静默期的时间要比爆发期长几个数量级。超导体在几秒钟内完全没有准粒子，这比量子比特操作所需的时间要长得多。Pekola说：“人们总是想摆脱准粒子。我们的研究标志着朝着构建功能理想的超导设备迈出重要一步。”

时间的痕迹

Pekola说：“在地球上是什么原因导致库珀对破裂，这实际上是关键的问题。”打破库珀对的能量必须来自某个地方，研究人员观察到的动力学提供了一个重要的线索。

在大约100天的过程中，研究人员发现准粒子的爆发在他们的实验中变得不那么频繁了。Mannila说：“以前从未观察到依赖于时间的库珀对断裂，所以这很有趣也很令人惊讶。”

当他们重置设备并再次尝试时，出现了更有趣的结果。Pekola说：“当实验重新开始时，一切都从头开始。准粒子出现的速度取决于自我们将系统冷却到最低温度以来已经过去了多长时间。”

这些动力学缩小了库珀对断裂的解释范围。任何外部来源(如宇宙射线和其他辐射源)都必须随着时间的推移变得不那么常见，并在大约100天后重置以匹配实验中看到的变化。

Mannila说：“这排除了许多或大多数已经提出的东西。我们已经证明某些事情正在发生，会出现这么长时间的延迟，而这不是人们通常会寻找的东西。现在这个想法已经提出来了，人们可以在不同系统中查看这些时间尺度来寻找解释。”

对Pekola来说，准粒子事件的发生率会随时间下降，但不是以指数方式下降的事实是关于打破库珀对的能量来源的重要线索。他说：“一开始的不安，可能是因为材料中的杂质，这些杂质冷却起来要比设备慢得多。”系统内的这些微小差异可能会导致释放足够的能量来破坏库珀对，尽管这仍然是猜测。

Pekola计划继续使用两个或更多探测器进行实验，以确定这些准粒子的来源。通过在几个设备中寻找准粒子爆发之间的相关性，他希望获得更多关于导致库珀对断裂过程发生的确切位置的线索。(编译:Qtech)