特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。电流的标准单位安培是国际单位制基本单位之一，但是以安培为单位精确测量电流很难。在1990年，人们转而使用V和W作为主要电气单位。虽然电传导是一个复杂的现象，但带电粒子的传输是由基本电荷和过程持续时间或频率所控制的。如果准确地知道在给定的时间内有多少电子通过一个系统传递，就能精确地揭示产生了多少电流。大约30年前，随着纳米技术的出现，基于单电子输运的现行标准的概念出现。2019年，根据基本电荷的固定数值重新定义了安培。在新定义的基础上，产生安培主要参考电流是使用单电子泵器件。泵周期性地从源库中取出一个电子，将其沉积在一个小的受限区域，即量子点，然后将电子释放到排放库中，从而在每个循环中完成单电子的转移。在过去的二十年里，这种电子传递过程的准确性已经得到了提高，现在一个10亿次循环的泵的误差小于100。如果该泵在计量实验室中被用作初级安培标准，每十亿个循环的精度要求在十个左右。
关键问题：
虽然使用单电子泵可以达到较高的精度，但在准确确定安培标准时仍存在以下关键问题：1. 单电子泵精度难以验证：单电子泵产生的电流很小。器件的工作频率限制在1GHz左右，由此产生的电流在100pA量级。2. 提高精度需要大幅度延长实验时间：为了达到每十亿个周期的误差小于100，往往需要几个小时的时间来进行足够的电流测量来平均噪声。要想在测量不确定度方面取得理想的改善，需要比这长100倍的测量时间，对单个数据点来说需要几天的时间，无法实际应用。测量不确定度主要是噪声，如果将电流增加到1nA可以在几个小时内实现每十亿周期10个误差的测量分辨率。基于此，英国伦敦大学Shaikhaidarov使用纳米线构建了一种量子相滑装置，该设备可以在高达26 GHz的频率下工作，产生8.3 nA的电流。量子相滑是指当磁通"隧道"穿过超导纳米线时发生的物理现象，隧穿在导线中产生库珀对。磁通隧穿具有使得库珀对相移一个完整的周期的作用，因此称为“相滑移”。这种相滑移可以用来通过纳米线转移Cooper对，带上的电荷恰好是(负)基本电荷的两倍。
利用超导纳米线作为磁通量的隧道原件，纳米线具有较高的再俘获电流。作者在微波驱动下观察到NbN纳米线中不同的dual Shapiro steps。利用超导NbN线构建了CQPS结，展现了明显的超导行为，实现了接近100 nA的表观临界电流。通过微波激发电流阶跃，探究不同条件下的电流特性曲线，明确最高可见频率以及频率优化条件，解析dual Shapiro steps出现的临界条件。通过理论分析以及实验验证，总结了CQPS理论，实现了预测与实验结果的一致，推导了微波辐射影响纳米线电压-电流特性关系。
交流相干量子相滑移（CQPS）被设想为量子化的“电流步骤”，然而，由于缺乏合适的材料和电路工程方面的挑战，超导的直流电平流步骤是迄今为止唯一无法实现的超导的基本效应。作者在超导纳米线中实现了dual Shapiro steps的直接观察。在使用量子相滑移装置的等效实验中，微波作用在超导纳米线上驱动磁通量隧穿，以与微波相同的频率周期性地传输库珀对。这个过程发生的时间比单电子泵中电子转移的时间要快得多。作者在氮化铌导线的电流电压特性中观察到与量子化条件相一致的电流步骤。电线被嵌入一个精心设计的电路中，以保护它不受外部噪音的影响，然后冷却到10毫微尔文。量子力学二元性规定超导体的相位和电荷是量子共轭变量。在适当的条件下，通过超导体传输的电荷q和约瑟夫森相φ的动力学之间存在精确的二元性。非线性效应都会导致微波辐射下电流-电压 (I-V) 特性的阶跃形成。作者报告了在微波驱动下观察到NbN纳米线中不同的dual Shapiro steps。电路的整个超导部分由原子层沉积生长的2.7 nm厚超导NbN薄膜制成，临界温度Tc=5.8 K，超导间隙在BCS极限Δ≈1 meV。该薄膜电阻R□≈4 kΩ，接近超导体-绝缘体过渡点。
CQPS结在100 nm宽的NbN条带中，宽约20 nm，长约50 nm。长度为100 nm宽的NbN弯曲在收缩的两侧形成了高动力学电感。电感的小几何尺寸使并联电容最小化。通过紧凑Pd电阻将引线从超导结构中分离出来。通过Pd制作的Cκ≈0.1 fF的两个耦合电容发射高频微波信号。该器件具有明显的超导行为，具有100nA的表观临界电流。
作者探究了微波激发下的电流阶跃以及I-V曲线的变化，明确了可见的最高频率为31 GHz。频率受传输线带宽的限制，可以通过优化设置进一步增加。此外，通过改变实验条件，发现只有临界电压在0.2 μV<Vc*<30μV范围内的样品才表现出dual Shapiro steps。
图 四探针I-V 测量中的逆Shapiro steps作者通过对CQPS理论的总结与推导，解析了微波辐射与电流-电压特性曲线之间的关系，并得出了对任何外部阻抗和噪声都有效的通用公式。作者认为实验中电流平台的有限斜率主要是由电阻器的热噪声引起的，通过加热电阻器，验证了作者的理论分析。基于此，绘制了具有不同临界电压Vc样本的dV/dI峰值位置与频率的关系。
本工作的研究结果对计量学家来说是个好消息。仪器制造商、校准测量设备的实验室以及需要精确测量电流的人，都将受益于这种新方法提高的精度和灵敏度。然而，观察到的电流步骤与施加到器件上的电压相比并不是完全平坦的，因此量化参考电平的精度目前不超过10%。作者认为，改进的噪声滤波将实现在每十亿周期10个(或更少)误差的水平以满足计量应用所需，但需要准确性比报道的高1000万倍。
Rais S. Shaikhaidarov, et al. Quantized current steps due to the a.c. coherent quantum phase-slip effect. Nature, 2022.
https://doi.org/10.1038/s41586-022-04947-z
Masaya Kataoka, et al. Nanowire device slips ahead in race to a primary standard for current. Nature, 2022.
https://www.nature.com/articles/d41586-022-01994-4
