Узел Пи Джозефсона - Pi Josephson junction

А Джозефсоновский переход представляет собой квантово-механическое устройство, состоящее из двух сверхпроводящих электродов, разделенных барьером (тонкий изолирующий туннельный барьер, нормальный металл, полупроводник, ферромагнетик и т. д.). А π Джозефсоновский переход джозефсоновский переход, в котором Фаза Джозефсона φ равно π в основном состоянии, т.е. когда нет внешнего тока или магнитное поле применяется.

Фон

В сверхток я_s через Джозефсоновский переход (JJ) обычно определяется как я_s = я_cгрех (φ), где φ - разность фаз сверхпроводящих волновых функций двух электродов, т.е. Фаза Джозефсона.^[1] Критический ток я_c - максимальный сверхток, который может существовать через джозефсоновский переход. В эксперименте обычно пропускают ток через джозефсоновский переход, и переход реагирует изменением фазы Джозефсона. Из приведенной выше формулы видно, что фаза φ = arcsin (я/я_c), куда я - приложенный (супер) ток.

Так как фаза 2π-периодический, т.е. φ и φ + 2πп физически эквивалентны, не теряя общности, обсуждение ниже относится к интервалу 0 ≤φ < 2π.

Когда нет тока (я = 0) существует через переход Джозефсона, например когда переход отключен, переход находится в основном состоянии и фаза Джозефсона на нем равна нулю (φ = 0). Фаза также может быть φ = π, что также приводит к отсутствию тока через переход. Получается, что состояние с φ = π является неустойчивый и соответствует Энергия Джозефсона максимум, а состояние φ = 0 соответствует Энергия Джозефсона минимум и является основное состояние.

В некоторых случаях можно получить джозефсоновский переход, где критический ток отрицательный (я_c <0). В этом случае первое соотношение Джозефсона принимает вид

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

Основное состояние такого джозефсоновского перехода ${displaystyle phi =pi }$ и соответствует Энергия Джозефсона минимум, тогда как условное состояние φ = 0 неустойчиво и соответствует Энергия Джозефсона максимум. Такой джозефсоновский переход с ${displaystyle phi =pi }$ в основном состоянии называется π Джозефсоновский переход.

π Джозефсоновские переходы обладают весьма необычными свойствами. Например, если соединить (закоротить) сверхпроводящие электроды с индуктивностью L (например, сверхпроводящий провод), можно ожидать спонтанного сверхтока, циркулирующего в контуре, проходящего через переход и через индуктивность по часовой стрелке или против часовой стрелки. Этот сверхток является самопроизвольным и принадлежит основному состоянию системы. Направление его обращения выбирается случайным образом. Этот сверхток, конечно, будет индуцировать магнитное поле, которое можно обнаружить экспериментально. Магнитный поток, проходящий через петлю, будет иметь значение от 0 до половины кванты магнитного потока, т.е. от 0 до Φ₀/ 2, в зависимости от значения индуктивностиL.

Технологии и физические принципы

• Ферромагнитные джозефсоновские переходы. Рассмотрим Джозефсоновский переход с ферромагнитным джозефсоновским барьером, т.е. многослойными SсверхпроводникFэрромагнитSсверхпроводник (SFS) или SсверхпроводникяинсуляторFэрромагнитSсверхпроводник (SIFS). В таких структурах сверхпроводящий параметр порядка внутри F-слоя колеблется в направлении, перпендикулярном плоскости стыка. В результате для определенных толщин F-слоя и температур параметр порядка может стать +1 на одном сверхпроводящем электроде и -1 на другом сверхпроводящем электроде. В этой ситуации получается π Джозефсоновский переход. Обратите внимание, что внутри F-слоя происходит конкуренция разных решений, и побеждает тот, у которого меньшая энергия. Различные ферромагнетики ${displaystyle pi }$ Созданы переходы: SFS-переходы со слабыми ферромагнитными прослойками;^[2] SFS-переходы с прочными ферромагнитными прослойками, такими как Co, Ni,^[3], PdFe ^[4] и NiFe^[5] SIFS переходы;^[3][6][7][8] и S-Fi-S переходы.^[9]

• Джозефсоновские переходы с нетрадиционной симметрией параметра порядка. Новые сверхпроводники, особенно высокотемпературные купратные сверхпроводники, имеют анизотропную сверхпроводящий параметр порядка который может менять знак в зависимости от направления. В частности, так называемый параметр порядка d-волны имеет значение +1, если смотреть вдоль оси кристалла. а и −1, если смотреть вдоль оси кристалла б. Если посмотреть на ab направление (45 ° между а и б) параметр порядка обращается в нуль. Создав джозефсоновские переходы между d-волновыми сверхпроводящими пленками с разной ориентацией или между d-волновыми и обычными изотропными s-волновыми сверхпроводниками, можно получить фазовый сдвиг на ${displaystyle pi }$. В настоящее время существует несколько реализаций π Джозефсоновские переходы этого типа:
  • джозефсоновские переходы трехкристаллических границ зерен,^[10]
  • тетракристаллические границы зерен джозефсоновские переходы,^[11][12]
  • d-волна / s-волна, зигзаг JJs джозефсоновских переходов,^{[13][14][15][16]}
  • джозефсоновские переходы границы зерен наклона-закрутки,^[17]
  • Джозефсоновские переходы на основе p-волн.
• SсверхпроводникNобычныйSсверхпроводники (СНС) джозефсоновские переходы с неравновесным распределением электронов в N-слое.^[18]
• Сверхпроводник - квантовая точка-сверхпроводниковые (S-QuDot-S) джозефсоновские переходы (реализованы углеродная нанотрубка Джозефсоновские переходы).^[19]

Исторические события

Теоретически впервые возможность создания ${displaystyle pi }$ Джозефсоновский переход обсуждался Булаевским. и другие. ,^[20] рассмотрев джозефсоновский переход с парамагнитным рассеянием в барьере. Почти десять лет спустя вероятность того, что ${displaystyle pi }$ Джозефсоновский переход обсуждался в контексте тяжелофермионных p-волновых сверхпроводников.^[21] Экспериментально первый ${displaystyle pi }$ Джозефсоновский переход был угловым соединением из оксид иттрия, бария, меди (d-волна) и Pb (s-волна) сверхпроводники.^[13] Первое недвусмысленное доказательство ${displaystyle pi }$ Джозефсоновский переход с ферромагнитным барьером был дан только десять лет спустя.^[2] В этой работе использовался слабый ферромагнетик, состоящий из медно-никелевого сплава (Cu_ИксNi_1−Икс, с Икс около 0,5) и оптимизировал его так, чтобы Температура Кюри была близка к температуре сверхпроводящего перехода сверхпроводящего ниобий приводит.

Смотрите также

• Эффект джозефсона
• φ Джозефсоновский переход
• Полуфлюксон
• Дробные вихри
• Брайан Д. Джозефсон

Рекомендации

1. Б.Д. Джозефсон (1962). «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании». Письма по физике. 1 (7): 251–253. Bibcode:1962ФЛ ..... 1..251Дж. Дои:10.1016/0031-9163(62)91369-0.
2. В. В. Рязанов; В. А. Обознов; А.Ю. Русанов; Веретенников А.В. Голубов А.А.; Дж. Аартс (2001). "Соединение двух сверхпроводников через ферромагнетик: свидетельство ${displaystyle pi }$-соединение ". Письма с физическими проверками. 86 (11): 2427–30. arXiv:cond-mat / 0008364. Bibcode:2001ПхРвЛ..86.2427Р. Дои:10.1103 / PhysRevLett.86.2427. PMID  11289946.
3. Банных А.А.; Дж. Пфайффер; Столяров В.С.; И. Э. Батов; В. В. Рязанов; М. Вайдес (2009). «Джозефсоновские туннельные переходы с сильной ферромагнитной прослойкой». Физический обзор B. 79 (5): 054501. arXiv:0808.3332. Bibcode:2009PhRvB..79e4501B. Дои:10.1103 / PhysRevB.79.054501.
4. Болгинов, В. В .; Столяров, В. С .; Собанин, Д. С .; Карпович, А.Л .; Рязанов, В. В. (14 июня 2012 г.). «Магнитные переключатели на основе джозефсоновских переходов Nb-PdFe-Nb с магнитомягкой ферромагнитной прослойкой». Письма в ЖЭТФ. 95 (7): 366–371. Дои:10.1134 / S0021364012070028.
5. Дж. В. А. Робинсон; С. Пиано; Г. Бернелл; К. Белл; М. Дж. Бламир (2006). «Критические колебания тока в сильном ферромагнетике. ${displaystyle pi }$ Узлы ». Письма с физическими проверками. 97 (17): 177003. arXiv:cond-mat / 0606067. Bibcode:2006PhRvL..97q7003R. Дои:10.1103 / PhysRevLett.97.177003. PMID  17155498.
6. Т. Контос; М. Априли; J. Lesueur; Ф. Жене; Б. Стефанидис; Р. Бурсье (2002). «Джозефсоновский переход через тонкий ферромагнитный слой: отрицательная связь». Письма с физическими проверками. 89 (13): 137007. Bibcode:2002ПхРвЛ..89м7007К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.89.137007. PMID  12225057.
7. Ларкин, Тимофей I .; Болгинов, Виталий В .; Столяров, Василий С .; Рязанов, Валерий В .; Верник, Игорь В .; Толпыго, Сергей К .; Муханов, Олег А. (28 мая 2012 г.). «Ферромагнитное джозефсоновское коммутационное устройство с высоким характеристическим напряжением». Письма по прикладной физике. 100 (22): 222601. arXiv:1205.3372. Дои:10.1063/1.4723576.
8. М. Вайдес; М. Кеммлер; Э. Голдобин; Д. Коелле; Р. Кляйнер; Х. Кольштедт; А. Буздин (2006). «Высококачественный ферромагнитный 0 и π Джозефсоновские туннельные переходы ». Письма по прикладной физике. 89 (12): 122511. arXiv:cond-mat / 0604097. Bibcode:2006ApPhL..89l2511W. Дои:10.1063/1.2356104.
9. О. Вавра; С. Гажи; Д. С. Голубович; И. Вавра; Ж. Дерер; Дж. Вербек; Г. Ван Тенделоо; Мощалков В.В. (2006). «0 и ${displaystyle pi }$ фазовая джозефсоновская связь через изолирующий барьер с магнитными примесями ». Физический обзор B. 74 (2): 020502. arXiv:cond-mat / 0606513. Bibcode:2006ПхРвБ..74б0502В. Дои:10.1103 / PhysRevB.74.020502.
10. К. С. Цуэй; Дж. Р. Кертли (2000). «Симметрия спаривания в купратных сверхпроводниках». Обзоры современной физики. 72 (4): 969–1016. Bibcode:2000РвМП ... 72..969Т. Дои:10.1103 / RevModPhys.72.969.
11. Б. Ческа (1999). «Магнитополевые зависимости критического тока и резонансных мод СКВИДов постоянного тока, изготовленных из сверхпроводников с ${displaystyle s+id_{x^{2}-y^{2}}}$ симметрии параметра порядка ". Annalen der Physik. 8 (6): 511. Bibcode:1999AnP ... 511..511C. Дои:10.1002 / (SICI) 1521-3889 (199909) 8: 6 <511 :: AID-ANDP511> 3.0.CO; 2-K.
12. Р. Р. Шульц; Б. Ческа; Б. Гетц; К. В. Шнайдер; А. Шмель; Х. Билефельдт; Х. Хильгенкамп; Дж. Маннхарт; К. С. Цуэй (2000). "Разработка и реализация постоянного тока d-типа. ${displaystyle pi }$-сверхпроводящее устройство квантовой интерференции ». Письма по прикладной физике. 76 (7): 912. Bibcode:2000АпФЛ..76..912С. Дои:10.1063/1.125627.
13. Д. Дж. Ван Харлинген (1995). «Фазочувствительные тесты симметрии состояния спаривания в высокотемпературных сверхпроводниках - свидетельство в пользу ${displaystyle d_{x^{2}-y^{2}}}$ симметрия ». Обзоры современной физики. 67 (2): 515. Bibcode:1995РвМП ... 67..515В. Дои:10.1103 / RevModPhys.67.515.
14. Х. Дж. Х. Смилде; Ариандо; Д. Х. А. Бланк; Г. Дж. Герритсма; Х. Хильгенкамп; Х. Рогалла (2002). "Противоток Джозефсоновского тока, индуцированный d-волной в YBa₂Cu₃О₇/ Nb Зигзагообразные переходы " (PDF). Письма с физическими проверками. 88 (5): 057004. Bibcode:2002PhRvL..88e7004S. Дои:10.1103 / PhysRevLett.88.057004. PMID  11863770.
15. Х. Хильгенкамп; Ариандо; Х.-Ж. Х. Смилде; Д. Х. А. Бланк; Г. Рейндерс; Х. Рогалла; Дж. Р. Кертли; К. С. Цуэй (2003). «Упорядочение и управление магнитными моментами в крупномасштабных сверхпроводящих π-массивы петель ". Природа. 422 (6927): 50–3. Bibcode:2003Натура 422 ... 50ч. Дои:10.1038 / природа01442. PMID  12621428.
16. Ариандо; Д. Дарминто; Х.-Ж. Х. Смилде; В. Лека; Д. Х. А. Бланк; Х. Рогалла; Х. Хильгенкамп (2005). "Фазочувствительные эксперименты по тестированию симметрии параметра порядка с использованием Nd_2−ИксCe_ИксCuO_4-й/ Nb Зигзагообразные переходы ». Письма с физическими проверками. 94 (16): 167001. arXiv:cond-mat / 0503429. Bibcode:2005ПхРвЛ..94п7001А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.94.167001. PMID  15907157.
17. Ф. Ломбарди; Ф. Тафури; Ф. Риччи; Ф. Милетто Граноцио; А. Бароне; Г. Теста; Э. Сарнелли; Дж. Р. Кертли; К. С. Цуэй (2002). "Внутренние эффекты d-волны в YBa₂Cu₃О_7−δ Границы зерна Джозефсоновские переходы ». Письма с физическими проверками. 89 (20): 207001. Bibcode:2002PhRvL..89t7001L. Дои:10.1103 / PhysRevLett.89.207001. PMID  12443500.
18. Дж. Дж. А. Базельманс; А. Ф. Морпурго; Б. Дж. Ван Вис; Т. М. Клапвейк (1999). «Изменение направления сверхтока в управляемом джозефсоновском переходе» (PDF). Природа. 397 (6714): 43–45. Bibcode:1999Натура.397 ... 43Б. Дои:10.1038/16204.
19. Ж.-П. Клезиу; В. Вернсдорфер; В. Бушия; Т. Ондарсуху; М. Монтиу (2006). «Устройство для сверхпроводящей квантовой интерференции с углеродными нанотрубками». Природа Нанотехнологии. 1 (1): 53–9. Bibcode:2006НатНа ... 1 ... 53С. Дои:10.1038 / nnano.2006.54. PMID  18654142.
20. Л. Н. Булаевский; В. В. Кузинь; Собянин А.А. (1977). «Сверхпроводящая система со слабой связью с током в основном состоянии». Письма в ЖЭТФ. 25: 290–294. Bibcode:1977JETPL..25..290B.
21. В. Б. Гешкенбейн; А. И. Ларкин; А. Бароне (1987). «Вихри с половинными квантами магнитного потока в сверхпроводниках с тяжелыми фермионами». Физический обзор B. 36 (1): 235–238. Bibcode:1987ПхРвБ..36..235Г. Дои:10.1103 / PhysRevB.36.235. PMID  9942041.