Перекресток Фи Джозефсона

φ - Джозефсоновский переход (произносится как «фи- Джозефсоновский переход ») — это особый тип джозефсоновского перехода , который имеет ненулевую джозефсоновскую фазу φ поперек него в основном состоянии. Конкретным примером этого является π -джозефсоновский переход , который имеет минимальную энергию, соответствующую фазе π.

Введение

Энергия Джозефсона $U$ зависит от сверхпроводящей разности фаз (фаза Джозефсона) $\phi$ периодически, с периодом $2\pi$. Поэтому остановимся только на одном периоде, например $-\pi <\phi \leq +\pi$. В обычном джозефсоновском переходе зависимость $U(\phi )$ имеет минимум в $\phi =0$. Функция

$U(\phi )={\frac {\Phi _{0}I_{c}}{2\pi }}[1-\cos(\phi )]$,

где I _c — критический ток перехода, а $\Phi _{0}$ это квант потока , является хорошим примером обычного $U(\phi )$.

Вместо этого, когда энергия Джозефсона $U(\phi )$ имеет минимум (или более одного минимума за период) при $\phi \neq 0$, эти минимумы (минимумы) соответствуют состояниям с наименьшей энергией (основным состояниям) перехода, и говорят о «φ-джозефсоновском переходе». Рассмотрим два примера.

Сначала рассмотрим переход с джозефсоновской энергией $U(\phi )$ иметь два минимума в $\phi =\pm \varphi$ в каждом периоде, где $\varphi$ (такой, что $0<\varphi <\pi$) — некоторое число. Например, это касается

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

что соответствует токо-фазовому соотношению

$I_{s}(\phi )=I_{c1}\sin(\phi )+I_{c2}\sin(2\phi )$.

Если I _c1 >0 и I _c2 <-1/2<0 , минимумы джозефсоновской энергии возникают при $\phi =\pm \varphi$, где $\varphi =\arccos \left(-2I_{c1}/I_{c2}\right)$. Заметим, что основное состояние такого джозефсоновского перехода является двукратно вырожденным, поскольку $U(-\varphi )=U(+\varphi )$.

Другой пример — переход с джозефсоновской энергией, аналогичной обычному, но сдвинутой вдоль $\phi$-ось, например $U(\phi )={\frac {\Phi _{0}I_{c}}{2\pi }}[1-\cos(\phi -\varphi _{0})]$,

и соответствующее фазовое соотношение тока

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

В этом случае основное состояние $\phi =\varphi _{0}$ и это не вырождение.

Два приведенных выше примера показывают, что профиль энергии Джозефсона в φ-джозефсоновском переходе может существенно различаться, что приводит к различным физическим свойствам. Часто, чтобы отличить, о каком именно типе токо-фазовой связи идет речь, исследователи используют разные названия. На данный момент общепринятой терминологии не существует. Однако некоторые исследователи используют терминологию А. Буздина: джозефсоновский переход с двойным вырожденным основным состоянием $\phi =\pm \varphi$, аналогичные первому примеру выше, действительно называются φ-джозефсоновским переходом, а переход с невырожденным основным состоянием, аналогичный второму примеру выше, называется $\varphi _{0}$ Джозефсоновские переходы.

Реализация φ-переходов

Первые признаки поведения φ-перехода (вырожденные основные состояния или нетрадиционная температурная зависимость его критического тока ) были зарегистрированы в начале 21 века. Эти переходы были изготовлены из сверхпроводников d-волны.

О первой экспериментальной реализации управляемого φ-перехода сообщила в сентябре 2012 года группа Эдварда Голдобина из Тюбингенского университета. Он основан на сочетании 0- и π-сегментов в одном гибридном устройстве сверхпроводник-изолятор-ферромагнетик-сверхпроводник и четко демонстрирует два критических тока, соответствующих двум состояниям перехода. $\phi =\pm \varphi$. Предложение построить φ-джозефсоновский переход из (бесконечного) множества 0- и π-сегментов появилось в работах Р. Минца и соавторов: хотя в то время не существовало термина φ-соединение. Впервые слово φ-джозефсоновский переход появилось в работах Буздина и Кошелева. чья идея была схожей. Следуя этой идее, далее было предложено использовать комбинацию только двух 0- и π-сегментов.

В 2016 году $\varphi _{0}$ О переходе на основе квантовой точки нанопроволоки сообщила группа Лео Кувенховена из Делфтского технологического университета . Нанопроволока InSb имеет сильную спин-орбитальную связь , и к ней было приложено магнитное поле, что привело к эффекту Зеемана . Эта комбинация нарушает как симметрию инверсии, так и симметрию обращения времени, создавая конечный ток при нулевой разности фаз.

Другая теоретически предложенная реализация включает геометрические φ-переходы. Существует теоретическое предсказание, что можно построить так называемый геометрический φ-переход на основе наноструктурированного d-волнового сверхпроводника. По состоянию на 2013 год экспериментально это не было продемонстрировано.

Свойства φ-переходов

• Два критических тока связаны с уходом (депиннингом) фазы из двух разных ям джозефсоновского потенциала. Наименьший критический ток экспериментально можно увидеть только при малом затухании (низкой температуре). Измерения критического тока можно использовать для определения (неизвестного) состояния (+φ или -φ) φ-перехода.
• В случае φ-перехода, построенного из 0- и π-сегментов, магнитное поле можно использовать для изменения асимметрии джозефсоновского профиля энергии вплоть до исчезновения одного из минимумов. Это позволяет подготовить желаемое состояние (+φ или -φ). Кроме того, асимметричный периодический джозефсоновский энергетический потенциал можно использовать для создания храповых устройств.
• Длинные φ-переходы допускают особые типы солитонных решений — расщепленные вихри. двух типов: один несет магнитный поток Φ ₁ < Φ ₀ , а другой несет поток Φ ₂ =Φ ₀ − Φ ₁ . Здесь Ф0 _. — квант магнитного потока Эти вихри являются солитонами двойного уравнения синус-Гордон . Они наблюдались в d-волновых зернограничных переходах.

Приложения

• Подобно π-переходу Джозефсона, φ-переходы можно использовать в качестве фазовой батареи.
• Два стабильных состояния +φ и -φ могут использоваться для хранения цифровой информации. Для записи желаемого состояния можно применить магнитное поле, чтобы один из минимумов энергии исчез, и у фазы не оставалось выбора, как перейти к оставшемуся. Чтобы считывать неизвестное состояние φ-переходов, можно применить ток смещения со значением между двумя критическими токами. Если φ-переход переключается в состояние напряжения, его состояние было −φ, в противном случае — +φ. Использование φ-переходов в качестве ячейки памяти (1 бит) уже было продемонстрировано.
• В квантовой области φ-переход можно использовать как двухуровневую систему (кубит).

См. также

• полуфлюксон
• Дробные вихри