Сверхпроводящий туннельный переход - Superconducting tunnel junction

В сверхпроводящий туннельный переход (STJ) - также известный как туннельный переход сверхпроводник – изолятор – сверхпроводник (SIS) - является электронный устройство, состоящее из двух сверхпроводники разделены очень тонким слоем изоляционный материал. Ток проходит через соединение через процесс квантовое туннелирование. STJ - это тип Джозефсоновский переход, хотя не все свойства STJ описываются эффектом Джозефсона.

Эти устройства имеют широкий спектр применения, в том числе высокочувствительные. детекторы из электромагнитное излучение, магнитометры, высокоскоростная цифровая схема элементы и квантовые вычисления схемы.

Квантовое туннелирование

Иллюстрация тонкопленочного сверхпроводящего туннельного перехода.
Иллюстрация тонкопленочного сверхпроводящего туннельного перехода (STJ). Сверхпроводящий материал - голубой, изолирующий туннельный барьер - черный, а подложка - зеленая.
Энергетическая диаграмма сверхпроводящего туннельного перехода.
Энергетическая диаграмма сверхпроводящего туннельного перехода. Вертикальная ось - энергия, а горизонтальная ось показывает плотность состояний. Куперовские пары существуют в Энергия Ферми, обозначенные пунктирными линиями. Напряжение смещения V прикладывается к переходу, сдвигая энергии Ферми двух сверхпроводников относительно друг друга на энергию эВ, где е - электрон обвинять. Квазичастица состояния существуют для энергий, превышающих Δ от энергии Ферми, где Δ - сверхпроводящая запрещенная зона. Зеленый и синий цвета указывают на пустое и заполненное состояния квазичастиц соответственно при нулевой температуре.
Эскиз вольт-амперной характеристики сверхпроводящего туннельного перехода.
Эскиз вольт-амперной (ВАХ) кривой сверхпроводящего туннельного перехода. В Купер пара туннельный ток наблюдается при V = 0, а квазичастица туннельный ток наблюдается при V> 2Δ / e и V <-2Δ / e.

Все токи протекающий через STJ проходит через изолирующий слой через процесс квантовое туннелирование. У туннельного тока есть две составляющие. Первый из туннелей Куперовские пары. Этот сверхток описывается переменным и постоянным током. Отношения Джозефсона, впервые предсказанный Брайан Дэвид Джозефсон в 1962 г.[1] За это предсказание Джозефсон получил Нобелевская премия по физике в 1973 году. Второй - квазичастица ток, который в пределе нулевой температуры возникает, когда энергия от напряжения смещения превышает вдвое значение сверхпроводящей запрещенной зоны Δ. При конечной температуре небольшой туннельный ток квазичастиц, называемый подзонным током, присутствует даже при напряжениях, меньших, чем удвоенная ширина запрещенной зоны, из-за теплового продвижения квазичастиц над зазором.

Если STJ облучается фотоны частоты , на кривой постоянного тока вольтамперные характеристики будут присутствовать как ступеньки Шапиро, так и ступени, обусловленные туннелированием с помощью фотонов. Ступеньки Шапиро возникают в результате реакции на сверхток и возникают при напряжениях, равных , куда является Постоянная Планка, это электрон заряд, и является целое число.[2] Фотонное туннелирование возникает из-за отклика квазичастиц и приводит к появлению ступенек, смещенных по напряжению на относительно напряжения на зазоре.[3]

Изготовление устройства

Устройство обычно сфабрикованный сначала нанеся тонкую пленку из сверхпроводящего металла, такого как алюминий на изолирующей подложке, такой как кремний. Осаждение производится внутри вакуумная камера. Кислород затем в камеру вводится газ, в результате чего образуется изолирующий слой из оксид алюминия () с типичной толщиной в несколько нанометры. После восстановления вакуума осаждается перекрывающийся слой сверхпроводящего металла, завершая STJ. Для создания четко определенной области перекрытия используется процедура, известная как Техника Нимейера-Долана обычно используется. В этой технике используется подвесной мост из сопротивляться с наплавкой под двумя углами для определения стыка.

Алюминий широко используется для создания сверхпроводящих туннельных переходов из-за его уникальной способности образовывать очень тонкий (2-3 нм) изолирующий окись слой без дефектов, который короткое замыкание изоляционный слой. В сверхпроводящий критическая температура алюминия примерно 1,2 кельвин (К). Для многих приложений удобно иметь сверхпроводящее устройство при более высокой температуре, в частности при температуре выше точка кипения из жидкий гелий, что составляет 4,2 К. при атмосферном давлении. Один из подходов к достижению этого - использовать ниобий, который имеет критическую температуру сверхпроводимости в объемной форме 9,3 К. Однако ниобий не образует оксид, который подходит для создания туннельных переходов. Чтобы сформировать изолирующий оксид, первый слой ниобия может быть покрыт очень тонким слоем (приблизительно 5 нм) алюминия, который затем окисляется с образованием туннельного барьера из оксида алюминия высокого качества перед нанесением последнего слоя ниобия. Тонкий алюминиевый слой приближенный из-за более толстого ниобия, и полученное устройство имеет критическую температуру сверхпроводимости выше 4,2 К.[4] Использованы ранние работы вести - туннельные переходы оксид-свинец.[5] Свинец имеет сверхпроводящую критическую температуру 7,2 K в массивной форме, но оксид свинца имеет тенденцию к развитию дефектов (иногда называемых точечными дефектами), которые замыкают туннельный барьер, когда устройство термически циклически переключается между криогенный температуры и комнатной температуры, и, как следствие, свинец больше не широко используется для изготовления STJ.

Приложения

Радиоастрономия

STJ - самые чувствительные гетеродин приемники в диапазоне частот от 100 ГГц до 1000 ГГц и, следовательно, используются для радиоастрономия на этих частотах.[6] В этом приложении STJ смещение постоянного тока при напряжении чуть ниже напряжения на зазоре (). Высокочастотный сигнал от интересующего астрономического объекта фокусируется на STJ вместе с гетеродин источник. Фотоны, поглощаемые STJ, позволяют квазичастицам туннелировать через процесс туннелирования с помощью фотонов. Это туннелирование с помощью фотонов изменяет вольт-амперную кривую, создавая нелинейность, которая дает выходной сигнал на разностной частоте астрономического сигнала и гетеродина. Этот выходной сигнал представляет собой преобразованную с понижением частоты версию астрономического сигнала.[7] Эти приемники настолько чувствительны, что точное описание характеристик устройства должно учитывать влияние квантовый шум.[8]

Однофотонное обнаружение

В добавление к гетеродин обнаружения, STJ могут также использоваться как прямые детекторы. В этом приложении STJ смещается постоянным напряжением, меньшим, чем напряжение промежутка. А фотон поглощается в разрывах сверхпроводника 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 детекторов одиночных фотонов для частот фотонов от Рентгеновские лучи к инфракрасный.[9]

Кальмары

В сверхпроводящее устройство квантовой интерференции или же КАЛЬМАР основан на сверхпроводящей петле, содержащей джозефсоновские переходы. Кальмары - самые чувствительные в мире магнитометры, способный измерять одиночный квант магнитного потока.

Квантовые вычисления

Сверхпроводящие квантовые вычисления использует схемы на основе STJ, в том числе заряжать кубиты, поток кубитов и фазовые кубиты.

RSFQ

STJ является основным активным элементом в быстрый квант одиночного потока или же RSFQ быстрые логические схемы.[10]

Стандарт напряжения Джозефсона

Когда высокочастотный ток подается на джозефсоновский переход, переменный джозефсоновский ток будет синхронизироваться с приложенной частотой, что приведет к появлению областей постоянного напряжения на ВАХ устройства (шаги Шапиро). Для стандартов напряжения эти шаги выполняются при напряжениях куда целое число, - приложенная частота и постоянная Джозефсона - международно определенная константа, по существу равная . Эти шаги обеспечивают точное преобразование частоты в напряжение. Поскольку частота может быть измерена с очень высокой точностью, этот эффект используется в качестве основы для стандарта напряжения Джозефсона, который реализует международное определение " общепринятый "вольт.[11][12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Б. Д. Джозефсон, «Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелировании», Письма по физике 1, 251 (1962), Дои:10.1016/0031-9163(62)91369-0
  2. ^ С. Шапиро, "Джозефсоновские токи в сверхпроводящем туннелировании: влияние микроволн и другие наблюдения" Письма с физическими проверками 11, 80 (1963), Дои:10.1103 / PhysRevLett.11.80
  3. ^ М. Тинкхэм, Введение в сверхпроводимость, 2-е издание, Dover Publications, 1996 г.
  4. ^ А. А. Джозеф, Дж. Сезе, Дж. Флокстра и Х. Г. Керкхофф, "Структурные испытания ниобиевого процесса HYPRES", IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости, 15, 106 (2005), Дои:10.1109 / TASC.2005.849705
  5. ^ Дж. Дж. Долан, Т. Г. Филлипс и Д. П. Вуди, «Малошумящее 115-ГГц смешение в туннельных переходах сверхпроводящий оксид-барьер», Письма по прикладной физике 34, 347 (1979), Дои:10.1063/1.90783
  6. ^ Дж. Змуидзинас и П. Л. Ричардс, «Сверхпроводящие детекторы и смесители для миллиметровой и субмиллиметровой астрофизики». Труды IEEE 92, 1597 (2004), Дои:10.1109 / JPROC.2004.833670
  7. ^ М. Дж. Венглер, "Детектирование субмиллиметровых волн сверхпроводящими туннельными диодами". Труды IEEE 80, 1810 (1992), Дои:10.1109/5.175257
  8. ^ Дж. Р. Такер, "Квантовое ограниченное обнаружение в смесителях с туннельным переходом", Журнал IEEE по квантовой электронике 15, 1234 (1979), Дои:10.1109 / JQE.1979.1069931
  9. ^ Детекторы STJ от Европейского космического агентства, доступ 8-17-11
  10. ^ К. К. Лихарев и В. К. Семенов, "Семейство логики / памяти RSFQ: новая технология джозефсоновских переходов для цифровых систем с тактовой частотой субтерагерцового диапазона", IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости 1, 3 (1991) Дои:10.1109/77.80745
  11. ^ К. А. Гамильтон, Р. Л. Каутц, Р. Л. Штайнер и Ф. Л. Ллойд, «Практический стандарт напряжения Джозефсона при 1 В», Письма об электронных устройствах IEEE 6, 623 (1985), Дои:10.1109 / EDL.1985.26253
  12. ^ Квантовая метрология напряжения в NIST, доступ 5-11-11