בשנת 1962 פרסם בריאן ג'וזפסון, אז סטודנט לדוקטורט, מאמר ובו הוא מראה שזוגות של אלקטרונים במוליכי על יכולים למנהר דרך שכבה מבודדת. שנה לאחר מכן, מאששים בניסוי את החישובים שלו ומראים שאכן יתכן מנהור של זוגות קופר דרך שכבה מבודדת. ה"סנדביץ'", מוליך על - מבודד - מוליך על, נקרא על שמו של ג'וזפסון "צומת ג'וזפסון" והוא מקבל על הגילוי פרס נובל בפיזיקה בשנת 1973. אבל הסיפור רק מתחיל.

כפי שצויין בחלק א', כמו במוליך על גם בצומת ג'וזפסון ייתכן זרם חשמלי ללא מתח חשמלי. זרם זה יכול לגדול עד לעוצמה מירבית המכונה "הזרם הקריטי". זרם קריטי של צומת ג'וזפסון יהיה נמוך יותר מהזרם הקריטי של מוליך העל שמרכיב אותו, ויהיה תלוי בין השאר בעובי השכבה המבודדת ובשטח החתך שלה.

בהקבלה מסוימת למוליכי העל שמרכיבים את הצומת, הפעלת שדה מגנטי משפיעה גם היא על הזרם הקריטי של הצומת. השטף המגנטי, שהוא כמות השדה המגנטי שעוברת דרך החלק המבודד, מגדיל או מקטין את זרם העל המירבי שיכול הצומת לשאת. השינוי נעשה באופן מחזורי - הגדלת השדה תקטין את הזרם הקריטי עד לעוצמה מסוימת, ולאחר מכן תגדיל אותה חזרה. דבר מדהים הוא שהזרם הקריטי משתנה כתלות בשדה המגנטי כמו שמשתנה עוצמת האור כתלות במיקום על המסך בניסוי התאבכות של אור דרך סדק! [1] מכאן, שצומת ג'וזפסון הוא המקבילה החשמלית לניסוי התאבכות מסדק אחד!

עובדה זו לכשעצמה מספיקה כדי להפוך צומת ג'וזפסון להתקן נפוץ במיוחד במחקר בסיסי, אבל מה לגבי התאבכות דרך שני סדקים, שהיא ניסוי יאנג המפורסם? [2] אם צומת אחד הוא סדק אחד, הרי ששני צמתים יהיו שני סדקים, ועכשיו רק צריך להבין איך לסדר אותם. הדרך לסדר את שני הצמתים היא לחבר שני מוליכי על שכל אחד מהם מסתעף לשני מסלולים. דמיינו את הידיים של אנגלה מרקל (כן, רימיתי אתכם בטיזר לפרק ב'). פה למטה יש גם תמונה, אם קשה לכם לדמיין את הידיים של אנגלה מרקל כשהיא עושה את היהלום המזוהה איתה.

הידיים שלה הן מוליכי על, בין שני האגודלים יש צומת אחת, ובין האצבעות האחרות צומת שניה. אם לא הצלחתם לדמיין את אנגלה מרקל, דמיינו שני חצאי מעגל שמודבקים זה לזה ויוצרים עכשיו טבעת. במקומות שבהם נמצא הדבק ממוקמים הצמתים. למעגל מחוברים שני חוטים שיאפשרו הזרמה של זרם דרך כל הסיפור.

זרם שמגיע מאחד החוטים אל המעגל צריך עכשיו "לבחור" אם לזרום בחצי המעגל האחד ולפגוש בצומת א' או לזרום בחצי המעגל השני ולפגוש בצומת ב'. "בחירה" זו מקבילה לבחירתו של הפוטון באיזה סדק לעבור בניסוי יאנג. כיאה להתקן קוונטי, אין כאן בחירה והזרם עובר בשני חצאי המעגל ודרך שני צמתי ג'וזפסון. כאשר הזרם משלים את המעגל ומגיע לחוט השני, שני מסלולי הזרם מתאחדים ועוצמת הזרם נקבעת לפי תוצאת ההתאבכות - התאבכות בונה תיתן את עוצמת הזרם המירבית, התאבכות הורסת תיתן את עוצמת הזרם הכי נמוכה.

זהו "התקן התאבכות קוונטית של מוליכי על" שבאנגלית מקבל את ראשי התיבות המגניבים SQUID - סקוויד. כך זה נראה:

בצורה הזו של לולאה עם שני מוליכי על שמחוברים אליה, אפשר לחשוב על שני סוגים של זרמי על. סוג אחד הוא הזרם דרך הסקוויד, שזורם ממוליך על אחד, מתפצל לשני החלקים של המעגל (שכל אחד מהם מכיל צומת), ויוצא דרך מוליך העל מהצד השני. הסוג השני הוא הזרם שזורם בתוך הלולאה ורק מסתובב בתוך הסקוויד. מכיוון שגם הזרם הזה הוא זרם-על, הוא יכול לזרום ללא התנגדות במעגל שכולל את שני הצמתים.

הזרם הקריטי של סקוויד, שהוא זרם העל הכי גבוה שיכול לזרום דרך הסקוויד או דרך שתי הזרועות של אנגלה מרקל, תלוי בשטף המגנטי שעובר דרך הלולאה שהיא השטח שסוגרות האצבעות שלה. במעגל המודבק שלנו - השטף המגנטי הוא השדה המגנטי שעובר בתוך המעגל, ומכיוון שגודלו של המעגל לא משתנה, עוצמת השדה המגנטי שהמעגל נמצא בתוכו היא שקובעת את הזרם הקריטי. תכונה זו הופכת סקווידים לשימושיים במיוחד למדידת שדות מגנטיים, והם משמשים במחקר ובתעשייה למטרה זו [3].

באופן בסיסי מאוד, אפשר להסביר את התלות של הזרם הקריטי של הסקוויד בשדה מגנטי חיצוני בכך שמוליך העל תמיד משלים את השטף דרך הלולאה לכפולה שלמה של מידה יסודית ("קוואנטה") של השטף המגנטי [4], על ידי שדה מגנטי שיוצר הזרם המסתובב בתוך הלולאה. אם השדה המגנטי החיצוני הוא כזה שדרך הלולאה של הסקוויד עובר שטף שהוא קוואנטה פחות "קצת", יזרום בלולאה של הסקוויד זרם-על שיצור שדה מגנטי בכיוון ההפוך ויצור שטף של עוד "קצת". השטף הזה יתווסף לשטף מהשדה המגנטי החיצוני וסך כל השטף יהיה כפולה שלמה של קוואנטת השטף המגנטי (במקרה הזה, קוואנטה אחת). נזכיר, שהזרם ה"משלים" שזורם בלולאה עובר גם דרך הצמתים, ולכן "לוקח" חלק מזרם העל שיכול לזרום דרך הסקוויד, בין שתי הזרועות.

הזרם הקריטי הכי גבוה יהיה כמובן כשאין שטף בכלל, או כשהשטף הוא כפולה שלמה של קוואנטת השטף המגנטי. במקרה כזה, כל זרם העל יכול להיות מופנה לטובת זרימה דרך הסקוויד. הזרם הקריטי הכי נמוך יהיה כשצריך הכי הרבה זרם על שיזרום בלולאה של הסקוויד. זה קורה כאשר השטף הוא כפולה שלמה ועוד מחצית. במקרה הזה, צריך זרם בלולאה שיצור מחצית קוואנטת השטף. אבל להוסיף חצי או להוריד חצי?

מכיוון שבשני המקרים תתקבל כפולה שלמה של קוואנטת השטף, ומכיוון שאין העדפה לכיוון זרם כזה או אחר, שני המצבים הם שווי אנרגיה ויכולים להתקיים בסופרפוזיציה קוואנטית [5]. שני מצבים שקולים באנרגיה שניתן להבחין ביניהם במדידה, למשל על ידי מדידת כיוון הזרם, הם מועמדים מצוינים לשמש כביטים קוואנטים. ביטים קוואנטים מהסוג הזה נקראים "קיוביטים של שטף" (flux qubits). קיימים עוד סוגים של קיוביטים שמבוססים על צמתי ג'וזפסון (אבל לא בהכרח על סקווידים), והם מסתמכים על היבטים שונים של ההתנהגות של צמתי ג'וזפסון והעובדה שמוליכות על באופן כללי היא מצב קוונטי של הרבה חלקיקים. זה כנראה המקום להזכיר שמוליכות על מתאפשרת כתוצאה מהתעבות בוזה-איינשטיין של זוגות אלקטרונים [6].

קיוביטים מבוססי מוליכי על וצמתי ג'וזפסון נחשבים להבטחה גדולה בתחום המחשוב הקוונטי, והם מרכיבים את המחשבים הקוואנטיים של חברות כמו גוגל [7] וריגטי [8].

הכל מסטודנט סקרן לדוקטורט שלימים זכה בפרס נובל, ומהתכונות המוזרות והמדהימות של מוליכי על בפרט ותורת הקוונטים בכלל.

<<<לפוסט הקודם בסדרה

מקורות והרחבות:

[1] התאבכות

[2] על ניסוי שני הסדקים באתר מדע גדול, בקטנה

[3] על מיקרוסקופ מגנטי שמשתמש בסקוייד למחקר מגנטיות של חומרים

[4] כ-20 גאוס במיקרון מרובע.

[5] על סופרפוזיציה באתר מדע גדול, בקטנה

[6] סדרת הפוסטים של מדע גדול, בקטנה בנושא מוליכות על

[7] מאמר על טכנולגית המחשוב הקוונטי של גוגל, עוד אחד, ועוד אחד

[8] אתר הבית של ריגטי