荷蘭萊頓大學(xué)發(fā)明3D打印超導(dǎo)裝置

來(lái)源：江蘇激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟

據(jù)悉，約瑟夫森結(jié)是超導(dǎo)電子學(xué)的基石，在精密計(jì)量和量子計(jì)算方面有著良好的應(yīng)用。制造約瑟夫森結(jié)是一個(gè)資源密集型的多步驟過(guò)程，涉及光刻和濕法處理，這與許多應(yīng)用不兼容。因此，來(lái)自荷蘭萊頓大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種在幾分鐘內(nèi)三維打印應(yīng)用約瑟夫森結(jié)效應(yīng)的超導(dǎo)設(shè)備的方法。

約瑟夫森結(jié)（Josephson junction），或稱為超導(dǎo)隧道結(jié)。一般是由兩塊超導(dǎo)體夾以某種很薄的勢(shì)壘層 ( 厚度 ≤ Cooper電子對(duì)的相干長(zhǎng)度)而構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，例如S(超導(dǎo)體)—I(半導(dǎo)體或絕緣體)—S(超導(dǎo)體)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱SIS。在其中超導(dǎo)電子可以通過(guò)隧道效應(yīng)而從一邊穿過(guò)半導(dǎo)體或絕緣體薄膜到達(dá)另一邊。不過(guò),實(shí)際上只要是兩塊弱耦合(耦合區(qū)尺寸≤Cooper電子對(duì)的相干長(zhǎng)度)的超導(dǎo)體都可構(gòu)成Josephson結(jié)，不一定需要采用隧道結(jié)的形式。（來(lái)源于百度百科）

約瑟夫森效應(yīng)出現(xiàn)在宏觀量子態(tài)被一種介質(zhì)分隔時(shí)，這種介質(zhì)允許它們的波函數(shù)部分重疊。這種現(xiàn)象發(fā)生在約瑟夫森結(jié)中，在那里超導(dǎo)電極的宏觀波函數(shù)被耦合通過(guò)某種形式的障礙。與傳統(tǒng)電子設(shè)備不同，在傳統(tǒng)電子設(shè)備中，電流由電勢(shì)差驅(qū)動(dòng)(即約瑟夫森結(jié)中的電荷傳輸是由超導(dǎo)電極的量子力學(xué)相位的差異決定的。電流相位關(guān)系使約瑟夫森結(jié)能夠?qū)�無(wú)耗散傳輸?shù)男�率與量子干涉測(cè)量的精度結(jié)合起來(lái)。今天，約瑟夫森結(jié)在許多領(lǐng)域都是不可或缺的成分，從用于成像和信號(hào)處理的高靈敏度探測(cè)器，到量子電路和超導(dǎo)計(jì)算。例如超導(dǎo)量子干涉儀（SQUIDs），又稱超導(dǎo)量子干涉裝置，是非常敏感的磁強(qiáng)計(jì)。這類儀器是借由約瑟夫森效應(yīng)運(yùn)作的，在科學(xué)和工程中應(yīng)用廣泛。

到目前為止，約瑟夫森器件的制造是一個(gè)多步驟的過(guò)程。這通常是薄膜沉積和其他結(jié)構(gòu)化/圖案化步驟的結(jié)合，其可以包括光刻工藝(例如抗蝕劑旋涂和蝕刻)或暴露于聚焦離子束。這些程序并不總是與超導(dǎo)器件的潛在應(yīng)用兼容，例如，在易碎的襯底或非平面表面不能被抗蝕劑涂覆的情況下，或者當(dāng)暴露于離子束或浸沒(méi)在液體中對(duì)系統(tǒng)有害時(shí)。目前還沒(méi)有制造約瑟夫森器件的無(wú)損直寫方法。

在該研究中，研究人員介紹了一種一步式加成技術(shù)，以使用電子束誘導(dǎo)沉積（EBID）“打印”約瑟夫森結(jié)，即通過(guò)掃描電子束以局部解離前驅(qū)體分子，然后將其吸附在表面上。整個(gè)制造過(guò)程在帶有氣體注入系統(tǒng)的掃描電子顯微鏡（SEM）中進(jìn)行，這也可以直接進(jìn)行質(zhì)量控制和設(shè)備維修。一個(gè)完整的約瑟夫森結(jié)可以在幾分鐘內(nèi)完成打印。除了與外部電子設(shè)備的接觸以外，EBID約瑟夫遜結(jié)不需要薄膜沉積或其他處理（例如退火，暴露于化學(xué)物質(zhì)或離子束）。這提供了一種非侵入性的手段，可以在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的所需位置添加高靈敏度檢測(cè)器，例如用于磁力測(cè)定的超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUID）。

▲與金電極（黃色）接觸的鎢絲（紅色）的偽彩色掃描電子顯微照片，比例尺對(duì)應(yīng)于500 nm。

▲EBID約瑟夫森結(jié)的假彩色顯微照片。W–C弱連接（紫色）連接兩個(gè)超導(dǎo)W–C電極（紅色），印刷在金觸點(diǎn)（黃色）上。比例尺代表1μm。在沉積弱連接材料之前拍攝的插圖圖像顯示了160 nm的間隙，該間隙將超導(dǎo)電極分開并代表了弱連接的有效長(zhǎng)度。

研究人員利用EBID可調(diào)諧材料的特性，一次寫入帶有超導(dǎo)電極和金屬弱連接的全鄰近結(jié)，并調(diào)整它們的約瑟夫森耦合。這些結(jié)的約瑟夫森行為由它們的微波誘導(dǎo)夏皮羅響應(yīng)和場(chǎng)相關(guān)傳輸來(lái)建立和表征。

原來(lái)在計(jì)算機(jī)芯片上制造超導(dǎo)設(shè)備是一個(gè)多步驟且要求很高的過(guò)程，需要使用專用的設(shè)備，而且需要幾天的時(shí)間才能完成。采用電子束誘導(dǎo)沉積（EBID）打印約瑟夫森結(jié)后，SQUIDS的基本部分約瑟夫森結(jié)可以在電子顯微鏡內(nèi)在短短幾分鐘內(nèi)打印在幾乎任何表面上。研究人員的努力為傳統(tǒng)的納米制造提供了一種多功能和無(wú)損的替代方法，并可以擴(kuò)展到打印三維超導(dǎo)傳感器陣列和量子網(wǎng)絡(luò)。

本文來(lái)源：Tycho J. Blom et al. Direct-Write Printing of Josephson Junctions in a Scanning Electron Microscope, ACS Nano(2020). DOI: 10.1021/acsnano.0c03656