Сверхпроводящий туннельный соединение

Сверхпроводящий туннельный соединение ( STJ ), также известный как суперпроводник -инсункулятор -SuperConductor Tunnel Connction ( SIS ), представляет собой электронное устройство, состоящее из двух сверхпроводников , разделенных очень тонким слоем изоляционного материала. Ток проходит через соединение через процесс квантового туннелирования . STJ - это тип Josephson Junction , хотя не все свойства STJ описаны эффектом Джозефсона.

высокочувствительности Эти устройства имеют широкий спектр применений, в том числе детекторы электромагнитного излучения , магнитометров , высокоскоростных цифровых цепей и квантовых вычислительных цепей.

Квантовое туннелирование

Все токи проходят через проход STJ через изоляционный слой через процесс квантового туннелирования . Есть два компонента в туннельном токе. Первый из туннелирования пар Купера . Этот суперкурок описывается отношениями AC и DC Josephson , впервые предсказанным Брайаном Дэвидом Джозефсоном в 1962 году. ^{[ 1 ]} Для этого прогноза Джозефсон получил Нобелевскую премию по физике в 1973 году. Вторым является ток квазичастица , который в пределах нулевой температуры возникает, когда энергия от напряжения смещения $eV$ превышает вдвое больше значения сверхпроводящего энергетического разрыва δ. При конечной температуре небольшой квазичастичный туннельный ток, называемый током подбапа, присутствует даже для напряжений менее чем в два раза больше энергии из -за теплового продвижения квазичастиц над зазором.

Если STJ облучен фотонами частоты $f$ Кривая тока постоянного тока будет демонстрировать как шаги, так и шаги Шапиро из-за туннелирования с помощью фотонов. Шаги Шапиро возникают из -за реакции суперкара и возникают при напряжении, равных $nhf/(2e)$ , где $h$ это постоянная Планка , $e$ Электронный и заряд, $n$ это целое число . ^{[ 2 ]} Туннелирование с помощью фотонов возникает из-за реакции квазичастиц и приводит к тому, что они вытесняются в напряжении $nhf/e$ относительно напряжения зазора. ^{[ 3 ]}

Изготовление устройства

Устройство обычно изготовлено путем сначала нанесения тонкой пленки сверхпроводящего металла, такого как алюминий на изоляционном субстрате, такой как кремний . Осаждение выполняется в вакуумной камере . Затем в камеру вводится газ кислорода , что приводит к образованию изоляционного слоя оксида алюминия (AL $_{2}$ А $_{3}$ ) с типичной толщиной нескольких нанометров . После восстановления вакуума перекрывается перекрывающийся слой сверхпроводящего металла, завершающий STJ. процедура, известная как метод Нимейер-Долана Для создания четко определенной области перекрытия обычно используется . В этом методе используется подвешенный мост сопротивления с двойным углом осаждения для определения соединения.

Алюминий широко используется для изготовления сверхпроводящих туннельных соединений из-за его уникальной способности образовывать очень тонкий (2–3 нм) изолирующий оксидный слой без дефектов, которые коротко замыкают изоляционный слой. Сверхпроводящая К. критическая температура алюминия составляет приблизительно 1,2 Для многих применений удобно иметь устройство, которое является сверхпроводящим при более высокой температуре, в частности при температуре выше температуры жидкого кипения гелия , который составляет 4,2 К при атмосферном давлении. Одним из подходов к достижению этого является использование Niobium , который имеет сверхпроводную критическую температуру в объемной форме 9,3 К. Ниобий, однако, не образует оксид, который подходит для изготовления туннельных соединений. Чтобы сформировать изолирующий оксид, первый слой ниобия может быть покрыт очень тонким слоем (приблизительно 5 нм) алюминия, который затем окисляется с образованием высококачественного алюминиевого оксидного туннельного барьера до отложения ниобия. Тонкий алюминиевый слой проксимизируется с помощью более толстого ниобия и полученного устройства имеет сверхпроводную критическую температуру выше 4,2 К. ^{[ 4 ]} Ранняя работа использовала свинцовые туннельные соединения с оксидом. ^{[ 5 ]} Свидец имеет сверхпроводящую критическую температуру 7,2 К в массовой форме, но оксид свинца имеет тенденцию развивать дефекты (иногда называемые дефектами обмывания), которые коротко замыкают туннельный барьер, когда устройство проходит тепловой цикл между криогенными температурами и комнатной температурой, поэтому свинец не является свинцом не является свинцом не является свинцом не является свинцом не является свинцом не является свинцом не является свинцом-нет свинца не является свинцовым . Дольше широко используется для изготовления STJS.

Приложения

Радиоастрономия

STJ являются наиболее чувствительными гетеродинными приемниками в диапазоне частот от 100 до 1000 ГГц и, следовательно, используются для радиоастрономии на этих частотах. ^{[ 6 ]} В этом приложении STJ находится в постоянном толе при напряжении чуть ниже напряжения зазора ( $|V|=2\Delta /e$ ) Высокочастотный сигнал от астрономического объекта, представляющего интерес, фокусируется на STJ, а также на локальном источнике генератора . Фотоны, поглощенные STJ, позволяют квазичастицам туннеля через процесс туннелирования с помощью фотон. Это туннелирование с помощью фотонов изменяет кривую текущего напряжения, создавая нелинейность, которая создает выход на частоте разности астрономического сигнала и локального генератора. Этот выход является частотой, конвертированной вниз, версия астрономического сигнала. ^{[ 7 ]} Эти приемники настолько чувствительны, что точное описание производительности устройства должно учитывать влияние квантового шума . ^{[ 8 ]}

Однофотонное обнаружение

В дополнение к обнаружению гетеродинов , STJ также можно использовать в качестве прямых детекторов. В этом приложении STJ смещен с напряжением постоянного тока, меньше, чем напряжение зазора. Фотон , поглощенный в сверхпроводнике, ломает пары Купера и создает квазичастицы . Туннель квазичастиков через соединение в направлении приложенного напряжения, и полученный туннельный ток пропорционален энергии фотона. Устройства STJ использовались в качестве однофотонных детекторов для частот фотонов, от рентгеновских лучей до инфракрасного . ^{[ 9 ]}

Кальмары

Сверхпроводящее устройство квантового интерференции или кальмары основаны на сверхпроводящем цикле, содержащем Josephson Connctions. Кальмары являются самыми чувствительными в мире магнитометрами , способными измерять один магнитный квант .

Квантовые вычисления

Сверхпроводящие квантовые вычисления используют схемы на основе STJ, в том числе кубиты заряда , кубиты потока и фазовые кубиты .

RSFQ

STJ является основным активным элементом в быстрого квантового или RSFQ Fast Logic Logic Currits. ^{[ 10 ]}

Стандарт напряжения Джозефсона

Когда высокочастотный ток применяется к соединению Джозефсона, ток Джозефсона AC будет синхронизироваться с приложенной частотой, приводящей к участку постоянного напряжения на кривой I -V устройства (шаги Шапиро). Для целей стандартов напряжения эти шаги происходят при напряжениях $nf/K_{\text{J}}$ где $n$ это целое число, $f$ применяемая частота и постоянная Джозефсона $K_{\text{J}}$ = 483 597 .8484... × 10 ⁹ Hz⋅V ⁻¹‍ ^{[ 11 ]} это постоянная, которая равна $2e/h$ Полем Эти шаги обеспечивают точное преобразование с частоты в напряжение. Поскольку частота может быть измерена с очень высокой точностью, этот эффект используется в качестве основы стандарта напряжения Джозефсона, который реализует СИ определение вольта . ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Джозефсон Диод

В случае, когда STJ показывает асимметричное туннелирование Джозефсона, соединение может стать диодом Джозефсона . ^{[ 14 ]}

Смотрите также

Ссылки

^ Джозефсон, BD (1962). «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании». Физические буквы . 1 (7). Elsevier BV: 251–253. Bibcode : 1962phl ..... 1..251j . doi : 10.1016/0031-9163 (62) 91369-0 . ISSN 0031-9163 .
^ Шапиро, Сидни (1963-07-15). «Токи Джозефсона в сверхпроводящем туннелировании: эффект микроволн и других наблюдений». Письма о физическом обзоре . 11 (2). Американское физическое общество (APS): 80–82. Bibcode : 1963phrvl..11 ... 80 -е годы . doi : 10.1103/physrevlett.11.80 . ISSN 0031-9007 .
^ М. Тинкхэм, Введение в сверхпроводимость , 2 -е издание, Dover Publications, 1996
^ Джозеф, А.А; Sese, J.; Flokstra, J.; Керхофф, Х.Г. (2005). «Структурное тестирование процесса Hypres niobium» (PDF) . IEEE транзакции на прикладной сверхпроводимости . 15 (2). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 106–109. Bibcode : 2005itas ... 15..106J . doi : 10.1109/tasc.2005.849705 . ISSN 1051-8223 . S2CID 22001764 .
^ Долан, GJ; Филлипс, TG; Вуди, Д.П. (1979). «Смешивание с низким шумом 115 ГГц в сверхпроводящих туннельных соединениях оксид-борье» . Прикладные физические буквы . 34 (5). AIP Publishing: 347–349. Bibcode : 1979apphl..34..347d . doi : 10.1063/1.90783 . ISSN 0003-6951 .
^ Zmuidzinas, J.; Ричардс, PL (2004). «Сверхпроводящие детекторы и миксеры для миллиметра и субмиллиметра астрофизики». Труды IEEE . 92 (10). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 1597–1616. doi : 10.1109/jproc.2004.833670 . ISSN 0018-9219 . S2CID 18546230 .
^ Wengler, MJ (1992). «Обнаружение субмиллиметровой волны с сверхпроводящими туннельными диодами». Труды IEEE . 80 (11). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 1810–1826. doi : 10.1109/5.175257 . HDL : 2060/19930018580 . ISSN 0018-9219 . S2CID 110082517 .
^ Такер Дж. (1979). «Квантовое ограниченное обнаружение в смесителях туннельного соединения». IEEE Journal of Quantum Electronics . 15 (11). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 1234–1258. Bibcode : 1979ijqe ... 15.1234t . doi : 10.1109/jqe.1979.1069931 . ISSN 0018-9197 .
^ Detectors от Европейского космического агентства , доступ к 8-17-11
^ Likharev, KK; Семенов, В.К. (1991). «RSFQ Logic/Memory Family: новая технология Josephson-Junction для субтерцерц-затопления цифровых систем». IEEE транзакции на прикладной сверхпроводимости . 1 (1). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 3–28. Bibcode : 1991tas .... 1 .... 3L . doi : 10.1109/77.80745 . ISSN 1051-8223 . S2CID 21221319 .
^ "2022 Кодата Значение: Иосифсон постоянная" . Ссылка NIST по постоянным, единицам и неопределенности . Нист . Май 2024 г. Получено 2024-05-18 .
^ Гамильтон, Калифорния; Кауц, RL; Штайнер, RL; Ллойд, Флорида (1985). «Практический стандарт напряжения Джозефсона при 1 В» . IEEE Electron Device Letters . 6 (12). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 623–625. Bibcode : 19855dl .... 6..623h . doi : 10.1109/edl.1985.26253 . ISSN 0741-3106 . S2CID 19200552 .
^ Метрология квантового напряжения в NIST , доступ к 11-5-11
^ Ву, Хенг; Ван, Яоджия; Сюнфенг; Сивакумар, Пранава К.; Паско, Крис; Philipppozzi, Ulderico; Паркин, Стюарт С.П.; Зенг, Юдзия; Маккуин, Тайрел; Али, Мажар Н. (2022-04-27). «Диод Джозефсона, не содержащий Fiel, в van der waals heterrosstructure » Природа 604 (7907): 653–6 Arxiv : 2103.15809 . Bibcode : 2022natur.604..653W Doi : /s41586-022-04504-8 10.1038 ISSN 0028-0 PMID 35478238 S2CID 248414862 .

[1] Джозефсон, BD (1962). «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании». Физические буквы . 1 (7). Elsevier BV: 251–253. Bibcode : 1962phl ..... 1..251j . doi : 10.1016/0031-9163 (62) 91369-0 . ISSN 0031-9163 .

[2] Шапиро, Сидни (1963-07-15). «Токи Джозефсона в сверхпроводящем туннелировании: эффект микроволн и других наблюдений». Письма о физическом обзоре . 11 (2). Американское физическое общество (APS): 80–82. Bibcode : 1963phrvl..11 ... 80 -е годы . doi : 10.1103/physrevlett.11.80 . ISSN 0031-9007 .

[3] М. Тинкхэм, Введение в сверхпроводимость , 2 -е издание, Dover Publications, 1996

[4] Джозеф, А.А; Sese, J.; Flokstra, J.; Керхофф, Х.Г. (2005). «Структурное тестирование процесса Hypres niobium» (PDF) . IEEE транзакции на прикладной сверхпроводимости . 15 (2). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 106–109. Bibcode : 2005itas ... 15..106J . doi : 10.1109/tasc.2005.849705 . ISSN 1051-8223 . S2CID 22001764 .

[5] Долан, GJ; Филлипс, TG; Вуди, Д.П. (1979). «Смешивание с низким шумом 115 ГГц в сверхпроводящих туннельных соединениях оксид-борье» . Прикладные физические буквы . 34 (5). AIP Publishing: 347–349. Bibcode : 1979apphl..34..347d . doi : 10.1063/1.90783 . ISSN 0003-6951 .

[6] Zmuidzinas, J.; Ричардс, PL (2004). «Сверхпроводящие детекторы и миксеры для миллиметра и субмиллиметра астрофизики». Труды IEEE . 92 (10). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 1597–1616. doi : 10.1109/jproc.2004.833670 . ISSN 0018-9219 . S2CID 18546230 .

[7] Wengler, MJ (1992). «Обнаружение субмиллиметровой волны с сверхпроводящими туннельными диодами». Труды IEEE . 80 (11). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 1810–1826. doi : 10.1109/5.175257 . HDL : 2060/19930018580 . ISSN 0018-9219 . S2CID 110082517 .

[8] Такер Дж. (1979). «Квантовое ограниченное обнаружение в смесителях туннельного соединения». IEEE Journal of Quantum Electronics . 15 (11). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 1234–1258. Bibcode : 1979ijqe ... 15.1234t . doi : 10.1109/jqe.1979.1069931 . ISSN 0018-9197 .

[9] Detectors от Европейского космического агентства , доступ к 8-17-11

[10] Likharev, KK; Семенов, В.К. (1991). «RSFQ Logic/Memory Family: новая технология Josephson-Junction для субтерцерц-затопления цифровых систем». IEEE транзакции на прикладной сверхпроводимости . 1 (1). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 3–28. Bibcode : 1991tas .... 1 .... 3L . doi : 10.1109/77.80745 . ISSN 1051-8223 . S2CID 21221319 .

[physconst-KJ-11] "2022 Кодата Значение: Иосифсон постоянная" . Ссылка NIST по постоянным, единицам и неопределенности . Нист . Май 2024 г. Получено 2024-05-18 .

[12] Гамильтон, Калифорния; Кауц, RL; Штайнер, RL; Ллойд, Флорида (1985). «Практический стандарт напряжения Джозефсона при 1 В» . IEEE Electron Device Letters . 6 (12). Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE): 623–625. Bibcode : 19855dl .... 6..623h . doi : 10.1109/edl.1985.26253 . ISSN 0741-3106 . S2CID 19200552 .

[13] Метрология квантового напряжения в NIST , доступ к 11-5-11

[14] Ву, Хенг; Ван, Яоджия; Сюнфенг; Сивакумар, Пранава К.; Паско, Крис; Philipppozzi, Ulderico; Паркин, Стюарт С.П.; Зенг, Юдзия; Маккуин, Тайрел; Али, Мажар Н. (2022-04-27). «Диод Джозефсона, не содержащий Fiel, в van der waals heterrosstructure » Природа 604 (7907): 653–6 Arxiv : 2103.15809 . Bibcode : 2022natur.604..653W Doi : /s41586-022-04504-8 10.1038 ISSN 0028-0 PMID 35478238 S2CID 248414862 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]