Пи Джозефсон торабы - Pi Josephson junction


A Джозефсон торабы кванттық механикалық құрылғы, ол тосқауылмен бөлінген екі өткізгіш электродтан тұрады (жіңішке оқшаулағыш туннель тосқауылы, қалыпты металл, жартылай өткізгіш, ферромагнетик және т.б.). A π Джозефсон торабы болып табылатын Джозефсон түйіні болып табылады Джозефсон фазасы φ тең π негізгі күйде, яғни сыртқы ток болмаған кезде немесе магнит өрісі қолданылады.

Фон

The асқын ағын Менс арқылы Джозефсон торабы (JJ) негізінен беріледі Менс = Менcкүнә (φ), мұндағы φ - екі электродтың асқын өткізгіштік толқындық функциясының фазалық айырмасы, яғни Джозефсон фазасы.[1] Критикалық ток Менc Джозефсон тоғысы арқылы болуы мүмкін максималды супер ағым болып табылады. Эксперимент барысында әдетте Джозефсон тоғысы арқылы ток пайда болады және түйісу Джозефсон фазасын өзгерту арқылы жүреді. Жоғарыда келтірілген формуладан фаза екені түсінікті φ = arcsin (Мен/Менc), қайда Мен - бұл қолданылатын (супер) ток.

Фазасы 2 болғандықтанπ-периодты, яғни φ және φ + 2πn физикалық тұрғыдан эквивалентті, жалпылықты жоғалтпастан, төмендегі пікірталас 0 ≤ аралығын білдіредіφ < 2π.

Ағым болмаған кезде (Мен = 0) Джозефсон түйіні арқылы бар, мысалы. түйісу ажыратылған кезде, түйісу негізгі күйде болады және оның бойындағы Джозефсон фазасы нөлге тең (φ = 0). Фаза да болуы мүмкін φ = π, сонымен қатар түйісу арқылы ток болмайды. Мемлекетпен φ = π болып табылады тұрақсыз және сәйкес келеді Джозефсон энергиясы максимум, ал мемлекет φ = 0 сәйкес келеді Джозефсон энергиясы минимум және болып табылады негізгі мемлекет.

Белгілі бір жағдайларда, маңызды ток теріс болатын Джозефсон түйіспесін алуға болады (Менc <0). Бұл жағдайда Джозефсонның алғашқы қатынасы пайда болады

Мұндай Джозефсон торабының негізгі күйі болып табылады және сәйкес келеді Джозефсон энергиясы минимум, ал шартты күй φ = 0 тұрақсыз және сәйкес келеді Джозефсон энергиясы максимум. Мұндай Джозефсон байланыстырады негізгі күйде а деп аталады π Джозефсон торабы.

π Джозефсонның айрықтары өте ерекше қасиеттерге ие. Мысалы, егер біреу асқын өткізгіш электродтарды индуктивтілікпен байланыстырса (шорт) L (мысалы, суперөткізгіш сым), түйіспеден және индуктивтіліктен сағат тілімен немесе сағат тіліне қарсы өтетін контурда айналатын өздігінен жүретін асқын ағынды күтуге болады. Бұл супер ағым өздігінен жүреді және жүйенің негізгі күйіне жатады. Оның айналымының бағыты кездейсоқ таңдалады. Бұл асқын ағын, әрине, эксперименталды түрде анықталатын магнит өрісін тудырады. Цикл арқылы өтетін магнит ағынының мәні 0-ден жартысына дейін болады магнит ағынының кванттары, яғни 0-ден Φ-ге дейін0/ 2, индуктивтіліктің мәніне байланыстыL.

Технологиялар және физикалық принциптер

  • Джозефсонның ферромагниттік қосылыстары. Қарастырайық Джозефсон торабы Джозефсон ферромагниттік тосқауылымен, яғни көп қабатты Sөткізгіш -Ferromagnet-Sжоғары өткізгіш (SFS) немесе Sөткізгіш -Меннсулатор-Ferromagnet-Sөткізгіш (SIFS). Мұндай құрылымдарда F қабатының ішіндегі суперөткізгіштік параметрі түйісу жазықтығына перпендикуляр бағытта тербеледі. Нәтижесінде F-қабатының және температураның белгілі бір қалыңдығы үшін тапсырыс параметрі бір өткізгіш электродта +1, ал екінші өткізгіш электродта −1 болуы мүмкін. Бұл жағдайда а π Джозефсон торабы. F қабатының ішінде әр түрлі шешімдердің бәсекелестігі жүріп жатқанын және энергиясы неғұрлым аз болатынын ескеріңіз. Әр түрлі ферромагниттік түйіспелер ойдан шығарылған: әлсіз ферромагниттік қабаттармен SFS түйіспелері;[2] Күшті ферромагниттік қабаттармен SFS түйіспелері, мысалы, Co, Ni,[3], PdFe [4] және NiFe[5] SIFS түйіспелері;[3][6][7][8] және S-Fi-S қосылыстары.[9]
  • Джозефсонның дәстүрлі емес ретті параметрлік симметриялы түйіспелері. Жаңа суперөткізгіштер, атап айтқанда жоғары температуралы купратты асқын өткізгіштер анизотропты болады суперөткізгіштік параметр бағытына байланысты оның таңбасын өзгерте алады. Атап айтқанда, d-толқыны реті деп аталатын параметр кристалл осіне қарайтын болса, +1 мәніне ие болады а және −1, егер біреу кристалл осіне қараса б. Егер біреу қараса аб бағыт (арасында 45 °) а және б) тапсырыс параметрі жоғалады. D-толқындары әртүрлі бағыттағы суперөткізгіш пленкалар арасында немесе d-толқындар мен кәдімгі изотропты s-толқындық суперөткізгіштер арасындағы түйіспелерді жасау арқылы фазалық ауысуды алуға болады. . Қазіргі уақытта бірнеше іске асыру бар π Джозефсонның осы типтегі түйіндері:
    • үш кристалды дәнді Джозефсон түйіспелері,[10]
    • тетра-хрусталь дәндерінің Джозефсон түйіскен шекаралары,[11][12]
    • d-толқын / s-толқындық рампа зигзаг JJs Джозефсон қосылыстары,[13][14][15][16]
    • Джозефсон түйіспелерінің түйісу-бұралу шекарасы,[17]
    • p-толқындық негізіндегі Джозефсон қосылыстары.
  • Sөткізгіш -NormalMetal-Sсуперөткізгіш (SNS) Джозефсонның N-қабатындағы электрондардың тепе-теңдік емес таралуымен түйісуі.[18]
  • Өте өткізгіш - кванттық нүкте-өткізгіш (S-QuDot-S) Джозефсон түйіспелері (жүзеге асырған көміртекті нанотүтік Джозефсонның қиылыстары).[19]

Тарихи дамулар

Теориялық тұрғыдан бірінші рет а Джулефон Джозефсонды Булаевский талқылаған т.б. ,[20] тосқауылдағы парамагниттік шашырауымен Джозефсонның түйісуін қарастырды. Он жылдан кейін дерлік, мүмкін Джозефсон түйіні ауыр фермионды р-толқындық суперөткізгіштер аясында талқыланды.[21] Тәжірибелік, бірінші Джозефсон торабы - жасалған бұрыштық түйісу иттрий барий мыс оксиді (d-толқын) және Pb (s-толқыны) асқын өткізгіштер.[13] А-ның бірінші айқын дәлелі Джозефсонның ферромагниттік тосқауылмен түйісуі он жылдан кейін ғана берілді.[2] Бұл жұмыста мыс-никель қорытпасынан (Cu) тұратын әлсіз ферромагнетик қолданылдыхНи1−х, бірге х шамамен 0,5) және оны оңтайландырған Кюри температурасы асқын өткізгіштің асқын өткізгіштік ауысу температурасына жақын болды ниобий әкеледі.

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Дж. Джозефсон (1962). «Өткізгіштік туннельдегі жаңа эффекттер». Физика хаттары. 1 (7): 251–253. Бибкод:1962PhL ..... 1..251J. дои:10.1016/0031-9163(62)91369-0.
  2. ^ а б В.В.Рязанов; В.Абознов; А. Ю. Русанов; А.Веретенников; Голубов А. Дж.Аартс (2001). «Екі аса өткізгіштің ферромагнетик арқылы түйісуі: а -қосылыс ». Физикалық шолу хаттары. 86 (11): 2427–30. arXiv:cond-mat / 0008364. Бибкод:2001PhRvL..86.2427R. дои:10.1103 / PhysRevLett.86.2427. PMID  11289946.
  3. ^ а б Банных А. Дж. Пфайфер; В.Столяров; Батов И. В.В.Рязанов; M. Weides (2009). «Күшті ферромагниттік қабаты бар Джозефсон туннелі түйіспелері». Физикалық шолу B. 79 (5): 054501. arXiv:0808.3332. Бибкод:2009PhRvB..79e4501B. дои:10.1103 / PhysRevB.79.054501.
  4. ^ Больгинов, В.В .; Столяров, В.С .; Собанин, Д.С .; Карпович, А.Л .; Рязанов, В.В. (14 маусым 2012). «Nb-PdFe-Nb Джозефсонның түйіспелері негізінде магниттік жұмсақ ферромагниттік қабаты бар магниттік ажыратқыштар». JETP хаттары. 95 (7): 366–371. дои:10.1134 / S0021364012070028.
  5. ^ Дж. В. Робинсон; С.Пианино; Дж.Бернелл; C. Bell; M. G. Blamire (2006). «Күшті ферромагниттік токтағы сыни тербелістер Қосылыстар ». Физикалық шолу хаттары. 97 (17): 177003. arXiv:cond-mat / 0606067. Бибкод:2006PhRvL..97q7003R. дои:10.1103 / PhysRevLett.97.177003. PMID  17155498.
  6. ^ Т.Контос; М. Априли; Дж.Лесюр; F. Genêt; Б.Стефанидис; Р.Бурсье (2002). «Жұқа ферромагниттік қабат арқылы Джозефсон түйіні: теріс байланыс». Физикалық шолу хаттары. 89 (13): 137007. Бибкод:2002PhRvL..89m7007K. дои:10.1103 / PhysRevLett.89.137007. PMID  12225057.
  7. ^ Ларкин, Тимофей I .; Бол’гинов, Виталий В.; Столяров, Василий С .; Рязанов, Валерий V .; Верник, Игорь V .; Толпыго, Сергей К .; Мұханов, Олег А. (28 мамыр 2012). «Ферромагниттік Джозефсонның жоғары сипаттамалы кернеуі бар коммутациялық құрылғы». Қолданбалы физика хаттары. 100 (22): 222601. arXiv:1205.3372. дои:10.1063/1.4723576.
  8. ^ M. Weides; М.Кеммлер; Э.Голдобин; Д.Коэлл; Р.Клайнер; Х.Кольштедт; А.Буздин (2006). «Жоғары сапалы ферромагниттік 0 және π Джозефсонның тоннель тораптары ». Қолданбалы физика хаттары. 89 (12): 122511. arXiv:cond-mat / 0604097. Бибкод:2006ApPhL..89l2511W. дои:10.1063/1.2356104.
  9. ^ О.Вавра; С.Гажи; Д.С Голубович; I. Вавра; Дж.Дерер; Дж. Вербек; Г. Ван Тенделу; В.В.Мощалков (2006). «0 және магниттік қоспалармен оқшаулағыш тосқауыл арқылы Джозефсонның фазасы ». Физикалық шолу B. 74 (2): 020502. arXiv:cond-mat / 0606513. Бибкод:2006PhRvB..74b0502V. дои:10.1103 / PhysRevB.74.020502.
  10. ^ C. C. Tsuei; Дж. Р. Кертли (2000). «Купратты асқын өткізгіштердегі жұптық симметрия». Қазіргі физика туралы пікірлер. 72 (4): 969–1016. Бибкод:2000RvMP ... 72..969T. дои:10.1103 / RevModPhys.72.969.
  11. ^ Б.Ческа (1999). «Өткізгіштен жасалған тұрақты ток SQUID резонанстық режимінің және сыни токтың магнит өрісіне тәуелділігі ретті-параметрлік симметриялар ». Аннален дер Физик. 8 (6): 511. Бибкод:1999AnP ... 511..511C. дои:10.1002 / (SICI) 1521-3889 (199909) 8: 6 <511 :: AID-ANDP511> 3.0.CO; 2-K.
  12. ^ Р.Шульц; B. Ческа; Б.Гетц; В.В.Шнайдер; А.Шмель; Х.Билефельдт; Х. Хильгенкамп; Дж. Манхарт; C. C. Tsuei (2000). «D толқынды тұрақты токты жобалау және жүзеге асыру - өткізгіш кванттық интерференция құрылғысы ». Қолданбалы физика хаттары. 76 (7): 912. Бибкод:2000ApPhL..76..912S. дои:10.1063/1.125627.
  13. ^ а б D. J. Van Harlingen (1995). «Жоғары температуралы асқын өткізгіштердегі жұптасу күйінің симметриясының фазаларға сезімтал сынақтары - дәлел симметрия ». Қазіргі физика туралы пікірлер. 67 (2): 515. Бибкод:1995RvMP ... 67..515V. дои:10.1103 / RevModPhys.67.515.
  14. ^ H. J. H. Smilde; Ариандо; D. H. A. Blank; Дж. Дж. Геррицма; Х. Хильгенкамп; Х.Рогалла (2002). «d-Wave - YBa-да Джозефсонның ағымдық қарсы ағымы2Cu3O7/ Nb зигзаг түйіндері « (PDF). Физикалық шолу хаттары. 88 (5): 057004. Бибкод:2002PhRvL..88e7004S. дои:10.1103 / PhysRevLett.88.057004. PMID  11863770.
  15. ^ Х. Хильгенкамп; Ариандо; H.-J. Х.Смилде; D. H. A. Blank; Г.Райндерс; Х.Рогалла; Дж. Р. Кертли; C. C. Tsuei (2003). «Үлкен асқын өткізгіштегі магниттік моменттерге тапсырыс беру және манипуляциялау π- цикл массивтері ». Табиғат. 422 (6927): 50–3. Бибкод:2003 ж.42 ... 50H. дои:10.1038 / табиғат01442. PMID  12621428.
  16. ^ Ариандо; Д. Дарминто; H.-J. Х.Смилде; В.Лека; D. H. A. Blank; Х.Рогалла; Х. Хильгенкамп (2005). «Фазалық-сезімтал тәртіптің параметрлері. Симметрия. Nd пайдаланып тәжірибе2−хCeхCuO4. Ж/ Nb зигзаг түйіндері ». Физикалық шолу хаттары. 94 (16): 167001. arXiv:cond-mat / 0503429. Бибкод:2005PhRvL..94p7001A. дои:10.1103 / PhysRevLett.94.167001. PMID  15907157.
  17. ^ Ф.Ломбарди; Ф.Тафури; Ф.Риччи; Ф. Милетто Гранозио; А.Бароне; Г.Теста; Э. Сарнелли; Дж. Р. Кертли; C. C. Tsuei (2002). «YBa-дағы ішкі толқындық эффекттер2Cu3O7−δ Джозефсонның астық шекаралары ». Физикалық шолу хаттары. 89 (20): 207001. Бибкод:2002PhRvL..89t7001L. дои:10.1103 / PhysRevLett.89.207001. PMID  12443500.
  18. ^ Базельман Дж. A. F. Morpurgo; B. J. Van Wees; T. M. Klapwijk (1999). «Джозефсонның бақыланатын торабындағы супер ағымның бағытын өзгерту» (PDF). Табиғат. 397 (6714): 43–45. Бибкод:1999 ж.397 ... 43B. дои:10.1038/16204.
  19. ^ Дж. Клеузиу; В.Вернсдорфер; V. Bouchiat; Т.Ондарчуху; M. Monthioux (2006). «Көміртекті нанотүтікті асқын өткізгіш кванттық бөгеуіл құрылғысы». Табиғат нанотехнологиялары. 1 (1): 53–9. Бибкод:2006NatNa ... 1 ... 53C. дои:10.1038 / nnano.2006.54. PMID  18654142.
  20. ^ Булаевский Л.Н.; В. В. Кузини; А.Собянин (1977). «Негізгі күйдегі токпен әлсіз байланысқан суперөткізгіштік жүйе». JETP хаттары. 25: 290–294. Бибкод:1977JETPL..25..290B.
  21. ^ V. B. Geshkenbein; А. И. Ларкин; А.Бароне (1987). «Ауыр фермионды суперөткізгіштердегі магнит ағынының жарты кванты бар құйындар». Физикалық шолу B. 36 (1): 235–238. Бибкод:1987PhRvB..36..235G. дои:10.1103 / PhysRevB.36.235. PMID  9942041.