Сверхпроводящий туннельный переход

Сверхпроводящий туннельный переход ( STJ ), также известный как туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник ( SIS ), представляет собой электронное устройство, состоящее из двух сверхпроводников, разделенных очень тонким слоем изолирующего материала. Ток проходит через переход посредством процесса квантового туннелирования . STJ — это разновидность джозефсоновского перехода , хотя не все свойства STJ описываются эффектом Джозефсона.

Эти устройства имеют широкий спектр применения, включая высокочувствительные детекторы , электромагнитного излучения магнитометры , элементы высокоскоростных цифровых схем и квантовых вычислений схемы .

Квантовое туннелирование

Все токи , текущие через STJ, проходят через изолирующий слой посредством процесса квантового туннелирования . Туннельный ток состоит из двух компонентов. Первый связан с туннелированием куперовских пар . Этот сверхток описывается соотношениями Джозефсона переменного и постоянного тока , впервые предсказанными Брайаном Дэвидом Джозефсоном в 1962 году. ^[1] За это предсказание Джозефсон получил Нобелевскую премию по физике в 1973 году. Второе — ток квазичастиц , который в пределе нулевой температуры возникает, когда энергия напряжения смещения $eV$ превышает вдвое величину сверхпроводящей энергетической щели Δ. При конечной температуре небольшой туннельный ток квазичастиц, называемый подщелевым током, присутствует даже при напряжениях, менее чем в два раза превышающих энергетическую щель, из-за теплового продвижения квазичастиц над щелью.

Если STJ облучается фотонами частоты $f$ , кривая постоянного тока-напряжения будет демонстрировать как ступеньки Шапиро, так и ступеньки, обусловленные туннелированием с помощью фотонов. Ступени Шапиро возникают в результате реакции сверхтока и происходят при напряжениях, равных $nhf/(2e)$ , где $h$ — постоянная Планка , $e$ - заряд электрона , а $n$ является целым числом . ^[2] Туннелирование с помощью фотонов возникает в результате реакции квазичастиц и приводит к появлению ступенек, смещенных по напряжению на $nhf/e$ относительно напряжения на промежутке. ^[3]

Изготовление устройства

Устройство обычно изготавливается путем осаждения тонкой пленки сверхпроводящего металла, такого как алюминий, на изолирующую подложку, такую как кремний . Нанесение осуществляется внутри вакуумной камеры . Затем в камеру подается газообразный кислород , в результате чего образуется изолирующий слой оксида алюминия (Al $_{2}$ ТО $_{3}$ ) с типичной толщиной в несколько нанометров . После восстановления вакуума накладывается перекрывающийся слой сверхпроводящего металла, завершающий STJ. Для создания четко определенной области перекрытия процедура, известная как метод Нимейера-Долана обычно используется . В этом методе используется подвесной мостик из резиста с нанесением под двойным углом для определения места соединения.

Алюминий широко используется для изготовления сверхпроводящих туннельных переходов из-за его уникальной способности образовывать очень тонкий (2–3 нм) изолирующий оксидный слой без дефектов, вызывающих короткое замыкание изолирующего слоя. Критическая температура сверхпроводимости алюминия составляет примерно К. 1,2 Для многих приложений удобно иметь устройство, которое является сверхпроводящим при более высокой температуре, в частности, при температуре выше точки кипения жидкого гелия , которая составляет 4,2 К при атмосферном давлении. Одним из подходов к достижению этого является использование ниобия , критическая температура сверхпроводимости которого в объемном виде составляет 9,3 К. Однако ниобий не образует оксид, пригодный для создания туннельных переходов. Чтобы сформировать изолирующий оксид, первый слой ниобия можно покрыть очень тонким слоем (около 5 нм) алюминия, который затем окисляется с образованием высококачественного туннельного барьера из оксида алюминия перед нанесением последнего слоя ниобия. Тонкий алюминиевый слой расположен вблизи более толстым ниобием, и полученное устройство имеет критическую температуру сверхпроводимости выше 4,2 К. ^[4] В ранних работах использовались свинец -оксид свинца-свинец. туннельные переходы ^[5] Критическая температура сверхпроводимости свинца составляет 7,2 К в объемном виде, но оксид свинца имеет тенденцию к образованию дефектов (иногда называемых точечными дефектами), которые закорачивают туннельный барьер, когда устройство подвергается термическому циклу между криогенной температурой и комнатной температурой, поэтому свинец не используется. больше широко используется для изготовления STJ.

Приложения

Радиоастрономия

STJ являются наиболее чувствительными гетеродинными приемниками в диапазоне частот от 100 до 1000 ГГц и, следовательно, используются в радиоастрономии на этих частотах. ^[6] В этом приложении STJ смещен постоянным током при напряжении чуть ниже напряжения на зазоре ( $|V|=2\Delta /e$ ). Высокочастотный сигнал от интересующего астрономического объекта фокусируется на STJ вместе с источником гетеродина . Фотоны, поглощенные STJ, позволяют квазичастицам туннелировать в процессе туннелирования с помощью фотонов. Это туннелирование с помощью фотонов изменяет кривую ток-напряжение, создавая нелинейность, которая создает выходной сигнал на разностной частоте астрономического сигнала и гетеродина. Этот выходной сигнал представляет собой версию астрономического сигнала с понижением частоты. ^[7] Эти приемники настолько чувствительны, что точное описание работы устройства должно учитывать эффекты квантового шума . ^[8]

Однофотонное обнаружение

Помимо гетеродинного обнаружения, STJ также можно использовать в качестве детекторов прямого действия. В этом приложении STJ смещается постоянным напряжением, меньшим, чем напряжение на зазоре. Фотон , поглощенный сверхпроводником, разрывает куперовские пары и создает квазичастицы . Квазичастицы туннелируют через переход в направлении приложенного напряжения, и результирующий туннельный ток пропорционален энергии фотона. Устройства STJ использовались в качестве однофотонных детекторов для частот фотонов от рентгеновского до инфракрасного . ^[9]

кальмары

Сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство или СКВИД основано на сверхпроводящей петле, содержащей джозефсоновские переходы. СКВИДы — самые чувствительные в мире магнитометры , способные измерять один квант магнитного потока .

Квантовые вычисления

В сверхпроводящих квантовых вычислениях используются схемы на основе STJ, включая зарядовые кубиты , потоковые кубиты и фазовые кубиты .

RSFQ

STJ является основным активным элементом в быстродействующих одноквантовых или RSFQ . быстрых логических схемах ^[10]

Стандарт напряжения Джозефсона

Когда к джозефсоновскому переходу подается высокочастотный ток, переменный джозефсоновский ток будет синхронизироваться с приложенной частотой, вызывая появление областей постоянного напряжения на ВАХ устройства (ступени Шапиро). Для стандартов напряжения эти этапы происходят при напряжениях $nf/K_{\text{J}}$ где $n$ является целым числом, $f$ - приложенная частота и постоянная Джозефсона $K_{\text{J}}$ = 483 597 .8484... × 10 ⁹ Hz⋅V ⁻¹‍ ^[11] константа, равная $2e/h$ . Эти шаги обеспечивают точное преобразование частоты в напряжение. Поскольку частоту можно измерить с очень высокой точностью, этот эффект используется в качестве основы стандарта напряжения Джозефсона, который реализует SI определение вольта в системе . ^[12]^[13]

диод Джозефсона

В случае, если STJ демонстрирует асимметричное туннелирование Джозефсона, переход может стать диодом Джозефсона . ^[14]

См. также

Ссылки

^ Джозефсон, Б.Д. (1962). «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании». Письма по физике . 1 (7). Эльзевир Б.В.: 251–253. Бибкод : 1962PhL.....1..251J . дои : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 . ISSN 0031-9163 .
^ Шапиро, Сидни (15 июля 1963 г.). «Джозефсоновские токи в сверхпроводящем туннелировании: влияние микроволн и другие наблюдения». Письма о физических отзывах . 11 (2). Американское физическое общество (APS): 80–82. Бибкод : 1963PhRvL..11...80S . дои : 10.1103/physrevlett.11.80 . ISSN 0031-9007 .
^ М. Тинкхэм, Введение в сверхпроводимость , 2-е издание, Dover Publications, 1996 г.
^ Джозеф, А.А.; Сесе, Дж.; Флокстра, Дж.; Керкхофф, Х.Г. (2005). «Структурные испытания ниобиевого процесса HYPRES» (PDF) . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 15 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 106–109. Бибкод : 2005ITAS...15..106J . дои : 10.1109/tasc.2005.849705 . ISSN 1051-8223 . S2CID 22001764 .
^ Долан, Дж.Дж.; Филлипс, Т.Г.; Вуди, ДП (1979). «Малошумящее смешение на частоте 115 ГГц в сверхпроводящих туннельных переходах с оксидным барьером» . Письма по прикладной физике . 34 (5). Издательство АИП: 347–349. Бибкод : 1979ApPhL..34..347D . дои : 10.1063/1.90783 . ISSN 0003-6951 .
^ Змуидзинас Ю.; Ричардс, Польша (2004). «Сверхпроводящие детекторы и смесители для миллиметровой и субмиллиметровой астрофизики». Труды IEEE . 92 (10). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1597–1616. дои : 10.1109/jproc.2004.833670 . ISSN 0018-9219 . S2CID 18546230 .
^ Венглер, MJ (1992). «Обнаружение субмиллиметровых волн с помощью сверхпроводящих туннельных диодов». Труды IEEE . 80 (11). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1810–1826 гг. дои : 10.1109/5.175257 . hdl : 2060/19930018580 . ISSN 0018-9219 . S2CID 110082517 .
^ Такер, Дж. (1979). «Квантово-ограниченное обнаружение в туннельных смесителях». Журнал IEEE по квантовой электронике . 15 (11). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1234–1258. Бибкод : 1979IJQE...15.1234T . дои : 10.1109/jqe.1979.1069931 . ISSN 0018-9197 .
^ Детекторы STJ Европейского космического агентства , доступ 17.08.11.
^ Лихарев, К.К.; Семенов В.К. (1991). «Семейство логики/памяти RSFQ: новая технология джозефсоновского перехода для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерца». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 1 (1). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 3–28. Бибкод : 1991ITAS....1....3L . дои : 10.1109/77.80745 . ISSN 1051-8223 . S2CID 21221319 .
^ «Значение CODATA 2022: константа Джозефсона» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
^ Гамильтон, Калифорния; Каутц, РЛ; Штайнер, РЛ; Ллойд, Флорида (1985). «Практический стандарт напряжения Джозефсона при 1 В» . Письма об электронных устройствах IEEE . 6 (12). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 623–625. Бибкод : 1985IEDL....6..623H . дои : 10.1109/edl.1985.26253 . ISSN 0741-3106 . S2CID 19200552 .
^ Метрология квантового напряжения в NIST , доступ 11-5-11.
^ Ву, Хэн; Ван, Яоцзя; Сюй, Юаньфэн; Сивакумар, Пранава К.; Паско, Крис; Филиппоцци, Ульдерико; Паркин, Стюарт С.П.; Цзэн, Юй-Цзя; МакКуин, Тайрел; Али, Мажар Н. (27 апреля 2022 г.). «Безполевой диод Джозефсона в гетероструктуре Ван-дер-Ваальса» . Природа . 604 (7907): 653–656. arXiv : 2103.15809 . Бибкод : 2022Natur.604..653W . дои : 10.1038/s41586-022-04504-8 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 35478238 . S2CID 248414862 .

[1] Джозефсон, Б.Д. (1962). «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании». Письма по физике . 1 (7). Эльзевир Б.В.: 251–253. Бибкод : 1962PhL.....1..251J . дои : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 . ISSN 0031-9163 .

[2] Шапиро, Сидни (15 июля 1963 г.). «Джозефсоновские токи в сверхпроводящем туннелировании: влияние микроволн и другие наблюдения». Письма о физических отзывах . 11 (2). Американское физическое общество (APS): 80–82. Бибкод : 1963PhRvL..11...80S . дои : 10.1103/physrevlett.11.80 . ISSN 0031-9007 .

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

[4] Джозеф, А.А.; Сесе, Дж.; Флокстра, Дж.; Керкхофф, Х.Г. (2005). «Структурные испытания ниобиевого процесса HYPRES» (PDF) . Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 15 (2). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 106–109. Бибкод : 2005ITAS...15..106J . дои : 10.1109/tasc.2005.849705 . ISSN 1051-8223 . S2CID 22001764 .

[5] Долан, Дж.Дж.; Филлипс, Т.Г.; Вуди, ДП (1979). «Малошумящее смешение на частоте 115 ГГц в сверхпроводящих туннельных переходах с оксидным барьером» . Письма по прикладной физике . 34 (5). Издательство АИП: 347–349. Бибкод : 1979ApPhL..34..347D . дои : 10.1063/1.90783 . ISSN 0003-6951 .

[6] Змуидзинас Ю.; Ричардс, Польша (2004). «Сверхпроводящие детекторы и смесители для миллиметровой и субмиллиметровой астрофизики». Труды IEEE . 92 (10). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1597–1616. дои : 10.1109/jproc.2004.833670 . ISSN 0018-9219 . S2CID 18546230 .

[7] Венглер, MJ (1992). «Обнаружение субмиллиметровых волн с помощью сверхпроводящих туннельных диодов». Труды IEEE . 80 (11). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1810–1826 гг. дои : 10.1109/5.175257 . hdl : 2060/19930018580 . ISSN 0018-9219 . S2CID 110082517 .

[8] Такер, Дж. (1979). «Квантово-ограниченное обнаружение в туннельных смесителях». Журнал IEEE по квантовой электронике . 15 (11). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1234–1258. Бибкод : 1979IJQE...15.1234T . дои : 10.1109/jqe.1979.1069931 . ISSN 0018-9197 .

[9] Детекторы STJ Европейского космического агентства , доступ 17.08.11.

[10] Лихарев, К.К.; Семенов В.К. (1991). «Семейство логики/памяти RSFQ: новая технология джозефсоновского перехода для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерца». Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости . 1 (1). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 3–28. Бибкод : 1991ITAS....1....3L . дои : 10.1109/77.80745 . ISSN 1051-8223 . S2CID 21221319 .

[physconst-KJ-11] «Значение CODATA 2022: константа Джозефсона» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.

[12] Гамильтон, Калифорния; Каутц, РЛ; Штайнер, РЛ; Ллойд, Флорида (1985). «Практический стандарт напряжения Джозефсона при 1 В» . Письма об электронных устройствах IEEE . 6 (12). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 623–625. Бибкод : 1985IEDL....6..623H . дои : 10.1109/edl.1985.26253 . ISSN 0741-3106 . S2CID 19200552 .

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

[14] Ву, Хэн; Ван, Яоцзя; Сюй, Юаньфэн; Сивакумар, Пранава К.; Паско, Крис; Филиппоцци, Ульдерико; Паркин, Стюарт С.П.; Цзэн, Юй-Цзя; МакКуин, Тайрел; Али, Мажар Н. (27 апреля 2022 г.). «Безполевой диод Джозефсона в гетероструктуре Ван-дер-Ваальса» . Природа . 604 (7907): 653–656. arXiv : 2103.15809 . Бибкод : 2022Natur.604..653W . дои : 10.1038/s41586-022-04504-8 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 35478238 . S2CID 248414862 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]