Перекресток Пи Джозефсона

Джозефсоновский переход (JJ) — это квантовомеханическое устройство, состоящее из двух сверхпроводящих электродов, разделенных барьером (тонкий изолирующий туннельный барьер, обычный металл, полупроводник, ферромагнетик и т. д.). Джозефсоновский π- переход — это джозефсоновский переход, в котором джозефсоновская фаза φ равна π в основном состоянии, т.е. когда внешний ток или магнитное поле не приложены.

Фон

Сверхток I s ₎ через джозефсоновский переход обычно определяется формулой I _s = I _c sin( φ , где φ — разность фаз сверхпроводящих волновых функций двух электроды, т.е. джозефсоновская фаза. Критический ток I _c — это максимальный сверхток, который может существовать через джозефсоновский переход. В эксперименте обычно через джозефсоновский переход возникает некоторый ток, и переход реагирует изменением фазы Джозефсона. Из приведенной выше формулы видно, что фаза φ = arcsin( I / I _c ), где I — приложенный (сверх)ток.

Поскольку фаза является 2 π -периодической, т.е. φ и φ + 2 π n физически эквивалентны, без потери общности, обсуждение ниже относится к интервалу 0 ≤ φ < 2 π .

Когда ток ( I = 0) через джозефсоновский переход отсутствует, например, когда переход отключен, переход находится в основном состоянии и джозефсоновская фаза на нем равна нулю ( φ = 0). Фаза также может быть φ = π , что также приводит к отсутствию тока через переход. Оказывается, что состояние с φ = π неустойчиво является и соответствует максимуму энергии Джозефсона , а состояние φ = 0 соответствует минимуму энергии Джозефсона и . основным состоянием

В некоторых случаях можно получить джозефсоновский переход, в котором критический ток отрицателен ( I _c < 0). В этом случае первое соотношение Джозефсона принимает вид

$I_{s}=-|I_{c}|\sin(\varphi )=|I_{c}|\sin(\varphi +\pi )$

Основное состояние такого джозефсоновского перехода: $\phi =\pi$ и соответствует минимуму энергии Джозефсона, тогда как обычное состояние φ = 0 неустойчиво и соответствует максимуму энергии Джозефсона. Такое джозефсоновское соединение с $\phi =\pi$ в основном состоянии называется π- джозефсоновским переходом.

π- Джозефсоновские переходы обладают весьма необычными свойствами. Например, если соединить (закоротить) сверхпроводящие электроды с индуктивностью L (например, сверхпроводящий провод), можно ожидать, что в контуре будет циркулировать спонтанный сверхток, проходящий через переход и через индуктивность по часовой стрелке или против часовой стрелки. Этот сверхток является спонтанным и принадлежит основному состоянию системы. Направление его циркуляции выбирается случайным образом. Этот сверхток, конечно, будет индуцировать магнитное поле, которое можно обнаружить экспериментально. Магнитный поток, проходящий через контур, будет иметь значение от 0 до половины квантов магнитного потока , т. е. от 0 до Φ _0/2 , в зависимости от значения индуктивности L .

Технологии и физические принципы

• Ферромагнитные джозефсоновские переходы . Рассмотрим джозефсоновский переход с ферромагнитным джозефсоновским барьером, т.е. многослойный сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS) или сверхпроводник-изолятор-ферромагнетик-сверхпроводник (SIFS). В таких структурах сверхпроводящий параметр порядка внутри F-слоя колеблется в направлении, перпендикулярном плоскости перехода. В результате при определенных толщинах F-слоя и температурах параметр порядка может стать +1 на одном сверхпроводящем электроде и -1 на другом сверхпроводящем электроде. В этой ситуации получается π- джозефсоновский переход. Заметим, что внутри F-слоя происходит конкуренция различных решений и побеждает то, у которого энергия меньше. Различные ферромагнитные $\pi$ изготовлены переходы: СФС-переходы со слабыми ферромагнитными прослойками; СФС-переходы с сильными ферромагнитными прослойками, такими как Co, Ni, ПДФе и НиФе SIFS-переходники; и переходы S-Fi-S.

• Джозефсоновские переходы с нетрадиционной симметрией параметра порядка . Новые сверхпроводники, особенно высокотемпературные купратные сверхпроводники, имеют анизотропный сверхпроводящий параметр порядка , который может менять свой знак в зависимости от направления. В частности, так называемый параметр порядка d-волны имеет значение +1, если смотреть вдоль оси кристалла a , и -1, если смотреть вдоль оси кристалла b . Если посмотреть в направлении ab (45° между a и b ), параметр порядка исчезает. Создавая джозефсоновские переходы между d-волновыми сверхпроводящими пленками с различной ориентацией или между d-волновыми и обычными изотропными s-волновыми сверхпроводниками, можно получить фазовый сдвиг $\pi$. В настоящее время существует несколько реализаций π- джозефсоновских переходов этого типа:
  • трехкристаллические зернограничные джозефсоновские переходы,
  • тетракристаллические зернограничные джозефсоновские переходы,
  • зигзагообразные джозефсоновские переходы d-волны/s-волны,
  • наклонно-поворотные границы джозефсоновских переходов,
  • Джозефсоновские переходы на основе p-волн.
• Джозефсоновские переходы сверхпроводник–нормальный металл–сверхпроводник (СНС) с неравновесным распределением электронов в N-слое.
• Джозефсоновские переходы сверхпроводник- квантовая точка -сверхпроводник (S-QuDot-S) (реализованные джозефсоновскими переходами из углеродных нанотрубок ).

Исторические события

Теоретически впервые появилась возможность создания $\pi$ Джозефсоновский переход обсуждался Булаевским и др. , который рассматривал джозефсоновский переход с парамагнитным рассеянием в барьере. Почти десять лет спустя появилась возможность иметь $\pi$ Джозефсоновский переход обсуждался в контексте тяжелых фермионных сверхпроводников p-волны. Экспериментально первый $\pi$ Джозефсоновский переход представлял собой угловой переход, изготовленный из сверхпроводников оксида иттрия, бария, меди (d-волна) и свинца (s-волна). Первое однозначное доказательство $\pi$ Джозефсоновский переход с ферромагнитным барьером был получен лишь десятилетие спустя. В этой работе использовался слабый ферромагнетик, состоящий из медно-никелевого сплава (Cu _x Ni _{1- x} , с x около 0,5), и оптимизировали его так, чтобы температура Кюри была близка к температуре сверхпроводящего перехода сверхпроводящих ниобиевых выводов.

См. также

• Эффект Джозефсона
• φ Джозефсоновский переход
• полуфлюксон
• Дробные вихри
• Брайан Д. Джозефсон