荷蘭萊頓大學發明3D列印超導裝置

江蘇雷射聯盟導讀：

據悉，約瑟夫森結是超導電子學的基石，在精密計量和量子計算方面有著良好的應用。製造約瑟夫森結是一個資源密集型的多步驟過程，涉及光刻和溼法處理，這與許多應用不兼容。因此，來自荷蘭萊頓大學的研究人員發明了一種在幾分鐘內三維列印應用約瑟夫森結效應的超導設備的方法。

約瑟夫森結（Josephson junction），或稱為超導隧道結。一般是由兩塊超導體夾以某種很薄的勢壘層 ( 厚度 ≤ Cooper電子對的相干長度)而構成的結構，例如S(超導體)—I(半導體或絕緣體)—S(超導體)結構，簡稱SIS。在其中超導電子可以通過隧道效應而從一邊穿過半導體或絕緣體薄膜到達另一邊。不過,實際上只要是兩塊弱耦合(耦合區尺寸≤Cooper電子對的相干長度)的超導體都可構成Josephson結，不一定需要採用隧道結的形式。（來源於百度百科）

約瑟夫森效應出現在宏觀量子態被一種介質分隔時，這種介質允許它們的波函數部分重疊。這種現象發生在約瑟夫森結中，在那裡超導電極的宏觀波函數被耦合通過某種形式的障礙。與傳統電子設備不同，在傳統電子設備中，電流由電勢差驅動(即約瑟夫森結中的電荷傳輸是由超導電極的量子力學相位的差異決定的。電流相位關係使約瑟夫森結能夠將無耗散傳輸的效率與量子幹涉測量的精度結合起來。今天，約瑟夫森結在許多領域都是不可或缺的成分，從用於成像和信號處理的高靈敏度探測器，到量子電路和超導計算。例如超導量子幹涉儀（SQUIDs），又稱超導量子幹涉裝置，是非常敏感的磁強計。這類儀器是藉由約瑟夫森效應運作的，在科學和工程中應用廣泛。

到目前為止，約瑟夫森器件的製造是一個多步驟的過程。這通常是薄膜沉積和其他結構化/圖案化步驟的結合，其可以包括光刻工藝(例如抗蝕劑旋塗和蝕刻)或暴露於聚焦離子束。這些程序並不總是與超導器件的潛在應用兼容，例如，在易碎的襯底或非平面表面不能被抗蝕劑塗覆的情況下，或者當暴露於離子束或浸沒在液體中對系統有害時。目前還沒有製造約瑟夫森器件的無損直寫方法。

在該研究中，研究人員介紹了一種一步式加成技術，以使用電子束誘導沉積（EBID）「印刷」約瑟夫森結，即通過掃描電子束以局部解離前驅體分子，然後將其吸附在表面上。整個製造過程在帶有氣體注入系統的掃描電子顯微鏡（SEM）中進行，這也可以直接進行質量控制和設備維修。一個完整的約瑟夫森結可以在幾分鐘內完成列印。除了與外部電子設備的接觸以外，EBID約瑟夫遜結不需要薄膜沉積或其他處理（例如退火，暴露於化學物質或離子束）。這提供了一種非侵入性的手段，可以在現有結構的所需位置添加高靈敏度檢測器，例如用於磁力測定的超導量子幹涉裝置（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。比例尺對應於500 nm。

▲EBID約瑟夫森結的假彩色顯微照片。W–C弱連接（紫色）連接兩個超導W–C電極（紅色），印刷在金觸點（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，該間隙將超導電極分開並代表了弱連接的有效長度。

研究人員利用EBID可調諧材料的特性，一次寫入帶有超導電極和金屬弱連接的全鄰近結，並調整它們的約瑟夫森耦合。這些結的約瑟夫森行為由它們的微波誘導夏皮羅響應和場相關傳輸來建立和表徵。

原來在計算機晶片上製造超導設備是一個多步驟且要求很高的過程，需要使用專用的設備，而且需要幾天的時間才能完成。採用電子束誘導沉積（EBID）列印約瑟夫森結後，SQUIDS的基本部分約瑟夫森結可以在電子顯微鏡內在短短幾分鐘內印刷在幾乎任何表面上。研究人員的努力為傳統的納米製造提供了一種多功能和無損的替代方法，並可以擴展到印刷三維超導傳感器陣列和量子網絡。

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