Węzeł Pi Josephsona

Złącze Josephsona to urządzenie kwantowo-mechaniczne składające się z dwóch nadprzewodzących elektrod oddzielonych barierą (cienki izolujący tunel barierowy, zwykły metal, półprzewodnik, ferromagnetyk itp.). Złącze $π$ Josephsona to złącze Josephsona, w którym faza Josephsona φ jest równa $π$ w stanie podstawowym, tj. gdy nie jest przyłożony żaden zewnętrzny prąd ani pole magnetyczne .

Tło

Nadprąd I _s płynący przez złącze Josephsona (JJ) jest zwykle wyrażany wzorem I _s = I _c sin( φ ), gdzie φ jest różnicą fazową funkcji falowych nadprzewodzących dwóch elektrod, tj. fazą Josephsona . Prąd krytyczny I _c jest maksymalnym nadprądem, jaki może przepływać przez złącze Josephsona. W eksperymencie zwykle powoduje się przepływ prądu przez złącze Josephsona, a złącze reaguje zmianą fazy Josephsona. Z powyższego wzoru jasno wynika, że faza φ = arcsin( I / I _c ), gdzie I jest zastosowanym (nad)prądem.

Ponieważ faza jest 2 $π$ -okresowa, tj. φ i φ + 2 $π$ n są fizycznie równoważne, bez utraty ogólności, poniższe omówienie odnosi się do przedziału 0 ≤ φ < 2 $π$ .

Gdy przez złącze Josephsona nie przepływa prąd ( I = 0), np. gdy złącze jest odłączone, złącze znajduje się w stanie podstawowym, a faza Josephsona na nim wynosi zero ( φ = 0). Faza może również wynosić φ = $π$ , co również powoduje brak prądu przez złącze. Okazuje się, że stan, w którym φ = $π$ jest niestabilny i odpowiada maksimum energii Josephsona , natomiast stan φ = 0 odpowiada minimum energii Josephsona i jest stanem podstawowym.

W niektórych przypadkach można otrzymać złącze Josephsona, w którym prąd krytyczny jest ujemny ( I _c < 0). W tym przypadku powstaje pierwsza relacja Josephsona

{\ Displaystyle I_ {s} = - | I_ {c} | \ grzech (\ varphi) = | I_ {c} | \ grzech (\ varphi + \ pi)}

Stan podstawowy takiego złącza Josephsona wynosi $i$ minimum Josephsona , podczas gdy stan konwencjonalny φ = 0 jest i odpowiada maksimum energii Josephsona . Takie złącze Josephsona ze $złączem$ nazywa się $π$ .

$π$ Josephsona mają dość niezwykłe właściwości. Na przykład, jeśli połączymy (zwierymy) elektrody nadprzewodzące z indukcyjnością L (np. drut nadprzewodzący), można spodziewać się spontanicznego nadprądu krążącego w pętli, przechodzącego przez złącze i przez indukcyjność zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Ten nadprąd jest spontaniczny i należy do stanu podstawowego układu. Kierunek jego obiegu wybierany jest losowo. Ten nadprąd będzie oczywiście indukował pole magnetyczne, które można wykryć eksperymentalnie. Strumień magnetyczny przechodzący przez pętlę będzie miał wartość od 0 do połowy ₀ kwanty strumienia magnetycznego tj. od 0 do Φ /2 w zależności od wartości indukcyjności L .

Technologie i zasady fizyczne

Ferromagnetyczne złącza Josephsona . Rozważmy złącze Josephsona z ferromagnetyczną barierą Josephsona, tj. wielowarstwowy nadprzewodnik – ferromagnes – nadprzewodnik (SFS) lub nadprzewodnik – izolator – ferromagnes – nadprzewodnik ( SIFS). W takich konstrukcjach parametr porządku nadprzewodzącego wewnątrz warstwy F oscyluje w kierunku prostopadłym do płaszczyzny złącza. W rezultacie dla pewnych grubości warstwy F i temperatur parametr porządku może wynosić +1 na jednej elektrodzie nadprzewodzącej i -1 na drugiej elektrodzie nadprzewodzącej. W tej sytuacji otrzymuje się złącze $π Josephsona.$ Należy pamiętać, że wewnątrz warstwy F ma miejsce rywalizacja różnych rozwiązań i wygrywa to, które ma niższą energię. Wytworzono różne złącza ferromagnetyczne $;$ złącza SFS z silnymi przekładkami ferromagnetycznymi, takimi jak złącza SIFS Co, Ni, PdFe i NiFe; i złącza S-Fi-S.

Złącza Josephsona z symetrią parametrów porządku niekonwencjonalnego . Nowe nadprzewodniki, zwłaszcza wysokotemperaturowe nadprzewodniki miedzianowe, mają anizotropowy parametr porządku nadprzewodnictwa , który może zmieniać swój znak w zależności od kierunku. W szczególności tak zwany parametr porządku fali d ma wartość +1, jeśli spojrzeć wzdłuż osi kryształu a i -1, jeśli spojrzeć wzdłuż osi kryształu b . Jeśli spojrzeć wzdłuż ab (45° pomiędzy a i b ) parametr kolejności znika. Wykonując złącza Josephsona pomiędzy warstwami nadprzewodzącymi fali d o różnych orientacjach lub pomiędzy nadprzewodnikami izotropowymi fali d i konwencjonalnymi nadprzewodnikami izotropowymi fali s, można uzyskać przesunięcie $wynoszące$ $\pi$ . Obecnie istnieje kilka realizacji tego typu złączy Josephsona :
- granica ziaren trikryształu, złącza Josephsona,
- granica ziaren tetrakrystalicznych, złącza Josephsona,
- Rampa d-wave/s-wave zygzakowata, złącza JJs Josephson,
- granica ziaren typu tilt-skręt, węzły Josephsona,
- złącza Josephsona oparte na załamku p.
Nadprzewodnik - N ormalMetal - S nadprzewodnik (SNS) Złącza Josephsona z nierównowagowym rozkładem elektronów w warstwie N.
Nadprzewodnik – kropka kwantowa – nadprzewodnik (S-QuDot-S) Złącza Josephsona (realizowane przez złącza Josephsona nanorurki węglowej ).

Rozwój historyczny

$omówili$ możliwość utworzenia węzła Josephsona po raz pierwszy Bulaevskii i in. , który rozważał złącze Josephsona z rozpraszaniem paramagnetycznym w barierze. Prawie dziesięć lat później możliwość posiadania złącza Josephsona była omawiana w kontekście nadprzewodników o fali p z ciężkim $.$ Eksperymentalnie pierwsze złącze Josephsona było złączem narożnym wykonanym z $($ itru, baru i miedzi fala d) i Pb (fala S). Pierwszy jednoznaczny dowód na $.$ złącza Josephsona z barierą ferromagnetyczną podano dopiero dziesięć lat później W pracy tej wykorzystano słaby ferromagnes składający się ze stopu miedzi i niklu (Cu _x Ni _{1− x} , przy x około 0,5) i zoptymalizowano go tak, aby temperatura Curie była zbliżona do temperatury przejścia w stan nadprzewodzący nadprzewodzących przewodów niobowych .

Zobacz też