荷兰莱顿大学发明3D打印超导装置

来源：江苏激光产业创新联盟

据悉，约瑟夫森结是超导电子学的基石，在精密计量和量子计算方面有着良好的应用。制造约瑟夫森结是一个资源密集型的多步骤过程，涉及光刻和湿法处理，这与许多应用不兼容。因此，来自荷兰莱顿大学的研究人员发明了一种在几分钟内三维打印应用约瑟夫森结效应的超导设备的方法。

约瑟夫森结（Josephson junction），或称为超导隧道结。一般是由两块超导体夹以某种很薄的势垒层 ( 厚度 ≤ Cooper电子对的相干长度)而构成的结构，例如S(超导体)—I(半导体或绝缘体)—S(超导体)结构，简称SIS。在其中超导电子可以通过隧道效应而从一边穿过半导体或绝缘体薄膜到达另一边。不过,实际上只要是两块弱耦合(耦合区尺寸≤Cooper电子对的相干长度)的超导体都可构成Josephson结，不一定需要采用隧道结的形式。（来源于百度百科）

约瑟夫森效应出现在宏观量子态被一种介质分隔时，这种介质允许它们的波函数部分重叠。这种现象发生在约瑟夫森结中，在那里超导电极的宏观波函数被耦合通过某种形式的障碍。与传统电子设备不同，在传统电子设备中，电流由电势差驱动(即约瑟夫森结中的电荷传输是由超导电极的量子力学相位的差异决定的。电流相位关系使约瑟夫森结能够将无耗散传输的效率与量子干涉测量的精度结合起来。今天，约瑟夫森结在许多领域都是不可或缺的成分，从用于成像和信号处理的高灵敏度探测器，到量子电路和超导计算。例如超导量子干涉仪（SQUIDs），又称超导量子干涉装置，是非常敏感的磁强计。这类仪器是借由约瑟夫森效应运作的，在科学和工程中应用广泛。

到目前为止，约瑟夫森器件的制造是一个多步骤的过程。这通常是薄膜沉积和其他结构化/图案化步骤的结合，其可以包括光刻工艺(例如抗蚀剂旋涂和蚀刻)或暴露于聚焦离子束。这些程序并不总是与超导器件的潜在应用兼容，例如，在易碎的衬底或非平面表面不能被抗蚀剂涂覆的情况下，或者当暴露于离子束或浸没在液体中对系统有害时。目前还没有制造约瑟夫森器件的无损直写方法。

在该研究中，研究人员介绍了一种一步式加成技术，以使用电子束诱导沉积（EBID）“打印”约瑟夫森结，即通过扫描电子束以局部解离前驱体分子，然后将其吸附在表面上。整个制造过程在带有气体注入系统的扫描电子显微镜（SEM）中进行，这也可以直接进行质量控制和设备维修。一个完整的约瑟夫森结可以在几分钟内完成打印。除了与外部电子设备的接触以外，EBID约瑟夫逊结不需要薄膜沉积或其他处理（例如退火，暴露于化学物质或离子束）。这提供了一种非侵入性的手段，可以在现有结构的所需位置添加高灵敏度检测器，例如用于磁力测定的超导量子干涉装置（SQUID）。

▲与金电极（黄色）接触的钨丝（红色）的伪彩色扫描电子显微照片，比例尺对应于500 nm。

▲EBID约瑟夫森结的假彩色显微照片。W–C弱连接（紫色）连接两个超导W–C电极（红色），印刷在金触点（黄色）上。比例尺代表1μm。在沉积弱连接材料之前拍摄的插图图像显示了160 nm的间隙，该间隙将超导电极分开并代表了弱连接的有效长度。

研究人员利用EBID可调谐材料的特性，一次写入带有超导电极和金属弱连接的全邻近结，并调整它们的约瑟夫森耦合。这些结的约瑟夫森行为由它们的微波诱导夏皮罗响应和场相关传输来建立和表征。

原来在计算机芯片上制造超导设备是一个多步骤且要求很高的过程，需要使用专用的设备，而且需要几天的时间才能完成。采用电子束诱导沉积（EBID）打印约瑟夫森结后，SQUIDS的基本部分约瑟夫森结可以在电子显微镜内在短短几分钟内打印在几乎任何表面上。研究人员的努力为传统的纳米制造提供了一种多功能和无损的替代方法，并可以扩展到打印三维超导传感器阵列和量子网络。

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