skrzyżowaniu Phi Josephsona

Złącze φ Josephsona (wymawiane złącze phi Josephsona ) jest szczególnym typem złącza Josephsona , które ma niezerową fazę Josephsona φ w stanie podstawowym. Szczególnym tego przykładem jest złącze π Josephsona , które ma minimalną energię odpowiadającą fazie π.

Wstęp

Energia Josephsona ${ \$ $2 \ pi}$ różnicy faz nadprzewodzących (faza Josephsona) okresowo, z okresem $displaystyle$ . Dlatego skupmy się tylko na jednym okresie, np. ${\ Displaystyle -\ pi <\ phi \ leq + \ pi }$ . W zwykłym skrzyżowaniu Josephsona zależność ma minimum w punkcie ${\ Displaystyle U (\ phi)}$ ${\ Displaystyle \ fi = 0}$ . Funkcja

\ Displaystyle U (\ phi) = {\ Frac {\ Phi _ {0} ja_ {c}} {2 \ pi}} [ 1-\cos(\phi )]}

,

gdzie $ja c$ $prądem$ krytycznym złącza, a strumieniem kwantowym jest $.$ przykładem

Zamiast tego, gdy energia Josephsona ma minimum (lub więcej niż jedno minimum na okres) w $Josephsona$ $minimum$ najniższym stanom energetycznym (stanom podstawowym) węzła i mówi się o „złączu φ ” . Rozważ dwa przykłady.

$,$ $minima$ połączenie z $jest$ $mającą$ dwa okresie że liczbą Dotyczy to na przykład

${\ Displaystyle U (\ phi) = {\ Frac {\ Phi _ {0}} 2 \ pi}} \ lewo \ {I_ {c1} [1- \ cos (\ phi )]+{\frac {1}{2}}I_{c2}[1-\cos(2\phi)]\right\}$ ,

co odpowiada relacji prąd-faza

$) + ja_ {c2} \ sin (2 \ phi)}$ .

Jeśli $ja c1 > 0$ i $ja c2 <-1/2 <0$ $} \ prawej$ ) { \ Displaystyle $-2I_$ . Zauważ, że stan podstawowy takiego złącza Josephsona jest podwójnie zdegenerowany, ponieważ ${\ Displaystyle U (- \ varphi) = U (+ \ varphi)}$ .

$\ Displaystyle U (\ phi) = {\ Frac {\ Phi _ {0} I_ {c}} {2 \ pi}} [1- \ cos (\ phi -\varphi _{0})]}$ połączenie z energią Josephsona podobną do konwencjonalnej, ale przesuniętą wzdłuż $-osi$ , na przykład ,

i odpowiednią relację faza-prąd

${\ Displaystyle I_ {s} (\ phi) = I_ {c} \ sin (\ phi - \ varphi _ {0})$ .

$przypadku$ stan podstawowy to nie jest

Powyższe dwa przykłady pokazują, że profil energetyczny Josephsona w złączu φ Josephsona może być raczej różny, co skutkuje różnymi właściwościami fizycznymi. Często, aby rozróżnić, o jaki konkretny typ relacji prąd-faza chodzi, badacze używają różnych nazw. W tej chwili nie ma dobrze przyjętej terminologii. Jednak niektórzy badacze używają terminologii za A. Buzdinem: złącze Josephsona z ${\ Displaystyle \ phi = \ pm \ varphi}$ zdegenerowanym stanem podstawowym , podobnie jak w pierwszym przykładzie powyżej, są rzeczywiście nazywane φ Złącze Josephsona , podczas gdy złącze z niezdegenerowanym stanem podstawowym, podobnie jak w drugim przykładzie powyżej, nazywane jest $Josephsona$ .

Realizacja połączeń φ

Pierwsze oznaki zachowania złącza φ (zdegenerowane stany podstawowe lub niekonwencjonalna zależność jego prądu krytycznego od temperatury) odnotowano na początku XXI wieku. Te złącza zostały wykonane z nadprzewodników o fali d.

Pierwsza eksperymentalna realizacja sterowalnego złącza φ została opisana we wrześniu 2012 roku przez grupę Edwarda Goldobina z Uniwersytetu w Tybindze. Opiera się na kombinacji segmentów 0 i π w jednym hybrydowym urządzeniu nadprzewodząco-izolator-ferromagnetyk-nadprzewodnik i wyraźnie pokazuje dwa prądy krytyczne odpowiadające dwóm stanom złącza. ϕ = ± φ {\ Displaystyle \ phi = $}$ . Propozycja skonstruowania złącza φ Josephsona z (nieskończenie) wielu segmentów 0 i π pojawiła się w pracach R. Mintsa i współpracowników, chociaż w tamtym czasie nie było jeszcze terminu złącze φ. Po raz pierwszy słowo skrzyżowanie φ Josephsona pojawiło się w pracy Buzdina i Koshelewa, których idea była podobna. Idąc za tym pomysłem, zaproponowano ponadto użycie kombinacji tylko dwóch segmentów 0 i π.

W 2016 roku $nanodrutu$ Leo Kouwenhoven z Delft University of Technology zgłosiła połączenie oparte na kropce kwantowej . Nanodrut InSb ma silne sprzężenie spinowo-orbitalne , a zastosowane pole magnetyczne prowadzi do efektu Zeemana . Ta kombinacja łamie symetrie zarówno inwersji, jak i odwrócenia czasu, tworząc skończony prąd przy zerowej różnicy faz.

Inną teoretycznie proponowaną realizacją są geometryczne złącza φ. Istnieje teoretyczna prognoza, że można zbudować tak zwane geometryczne złącze φ w oparciu o nanostrukturalny nadprzewodnik o fali d. Od 2013 r. Nie wykazano tego eksperymentalnie.

Właściwości złączy φ

Dwa prądy krytyczne związane z ucieczką (depinowaniem) fazy z dwóch różnych studni potencjału Josephsona. Najmniejszy prąd krytyczny można zaobserwować eksperymentalnie tylko przy niskim tłumieniu (niskiej temperaturze). Pomiary prądu krytycznego można wykorzystać do określenia (nieznanego) stanu (+φ lub -φ) złącza φ.
W przypadku złącza φ zbudowanego z segmentów 0 i π pole magnetyczne może być wykorzystane do zmiany asymetrii profilu energetycznego Josephsona do momentu, w którym zaniknie jedno z minimów. Pozwala to na przygotowanie pożądanego stanu (+φ lub -φ). Ponadto asymetryczny okresowy potencjał energetyczny Josephsona można wykorzystać do skonstruowania urządzeń przypominających zapadkę.
Długie złącza φ pozwalają na specjalne rozwiązania solitonowe --- rozszczepione wiry dwojakiego rodzaju: jeden przenosi strumień magnetyczny $Φ 1 <Φ 0$ , podczas gdy drugi przenosi strumień $0 Φ 2 = Φ -Φ 1$ . Tutaj $Φ 0$ jest kwantem strumienia magnetycznego . Te wiry są solitonami podwójnego równania sinusoidalnego Gordona. Zaobserwowano je w połączeniach granicznych ziaren fali d.

Aplikacje

Podobnie jak złącze Pi Josephsona, złącza φ mogą służyć jako bateria fazowa.
Dwa stabilne stany +φ i -φ mogą być użyte do przechowywania informacji cyfrowej. Do zapisania pożądanego stanu można przyłożyć pole magnetyczne, tak że jedno z minimów energii zniknie, więc faza nie będzie miała wyboru, jak przejść do pozostałego. Aby odczytać nieznany stan złączy φ można przyłożyć prąd polaryzacji o wartości pomiędzy dwoma prądami krytycznymi. Jeżeli złącze φ przechodzi w stan napięciowy, to jego stan wynosił −φ, w przeciwnym razie +φ. Wykorzystanie złączy φ jako komórki pamięci (1 bit) zostało już zademonstrowane.
W domenie kwantowej złącze φ może być użyte jako układ dwupoziomowy (kubit).

Zobacz też