Φ Джозефсон (выраженный фи Джозефсона ) является частным типом джозефсоновском , который имеет ненулевую Джозефсон фазу ф через нее в основном состоянии. A П Джозефсон , который имеет минимальную энергию , соответствующую фазу я, является конкретным примером этого.
Вступление
Джозефсоновская энергия зависит от сверхпроводящей разности фаз (фаза Джозефсона) периодически, с периодом . Поэтому остановимся только на одном периоде, например. В обычном джозефсоновском переходе зависимость имеет минимум на . Функция
- ,
где I c - критический ток перехода, аявляется квант потока , является хорошим примером обычного.
Вместо этого, когда энергия Джозефсона имеет минимум (или более одного минимума за период) в эти минимумы (минимумы) соответствуют низшим энергетическим состояниям (основным состояниям) перехода и говорят о «φ джозефсоновском переходе ». Рассмотрим два примера.
Сначала рассмотрим стык с джозефсоновской энергией имея два минимума на в каждом периоде, где (такой, что ) - какое-то число. Например, это случай
,
что соответствует соотношению ток-фаза
.
Если I c1 > 0 и I c2 <-1/2 <0 , минимумы джозефсоновской энергии происходят при, где . Отметим, что основное состояние такого джозефсоновского контакта является двукратно вырожденным, поскольку.
Другой пример - переход с джозефсоновской энергией, аналогичной обычной, но смещенной вдоль ось, например ,
и соответствующее соотношение фаза-ток
.
В этом случае основным состоянием является и это не дегенерация.
Приведенные выше два примера показывают, что профиль энергии Джозефсона в φ- джозефсоновском переходе может сильно отличаться, что приводит к различным физическим свойствам. Часто, чтобы различить, какой именно тип соотношения ток-фаза имеется в виду, исследователи используют разные названия. На данный момент нет общепринятой терминологии. Тем не менее, некоторые исследователи используют терминологию после А. Буздина: [1] в джозефсоновском с двойным вырожденным состоянием, аналогично первому примеру выше, действительно называются φ джозефсоновским контактом , в то время как переход с невырожденным основным состоянием, как и во втором примере выше, называется Джозефсоновские переходы.
Реализация φ-переходов
Первые признаки поведения φ-перехода (вырожденные основные состояния [2] или нетрадиционная температурная зависимость его критического тока [3] ) были зарегистрированы в начале 21 века. Эти переходы были сделаны из d-волновых сверхпроводников.
О первой экспериментальной реализации управляемого φ-перехода сообщила в сентябре 2012 года группа Эдварда Голдобина из Тюбингенского университета. [4] Он основан на комбинации сегментов 0 и π в одном гибридном устройстве сверхпроводящий изолятор-ферромагнетик-сверхпроводник и четко демонстрирует два критических тока, соответствующих двум состояниям перехода.. Предложение построить φ-джозефсоновский переход из (бесконечно) множества 0- и π-отрезков появилось в работах Р. Минца с соавторами [5] [6], хотя в то время еще не существовало термина φ-переход. Впервые слово φ джозефсоновский переход появилось в работе Буздина и Кошелева [1] , идея которых была аналогичной. Следуя этой идее, в дальнейшем было предложено использовать комбинацию только двух сегментов 0 и π. [7]
В 2016 г. О переходе на основе квантовой точки нанопроволоки сообщила группа Лео Кувенховена из Делфтского технологического университета . InSb нанопроволоки имеет сильное спин-орбитальной связи , а магнитное поле прикладывалось приводит к эффекту Зеемана . Эта комбинация нарушает симметрию инверсии и обращения времени, создавая конечный ток при нулевой разности фаз. [8]
Другая теоретически предлагаемая реализация включает геометрические φ-переходы. Существует теоретическое предсказание, что можно построить так называемый геометрический φ-переход на основе наноструктурированного d-волнового сверхпроводника. [9] По состоянию на 2013 год экспериментально это не было продемонстрировано.
Свойства φ-переходов
- Два критических тока, связанных с уходом (депиннингом) фазы из двух разных ям потенциала Джозефсона. Самый низкий критический ток можно увидеть экспериментально только при низком затухании (низкой температуре). Измерения критического тока можно использовать для определения (неизвестного) состояния (+ φ или -φ) φ-перехода.
- В случае φ-перехода, построенного из сегментов 0 и π, магнитное поле можно использовать для изменения асимметрии джозефсоновского энергетического профиля вплоть до исчезновения одного из минимумов. Это позволяет подготовить желаемое состояние (+ φ или -φ). Кроме того, асимметричный периодический потенциал энергии Джозефсона может быть использован для создания храповых устройств.
- Длинные φ-переходы допускают особые типы солитонных решений - расщепленные вихри [10] двух типов: один несет магнитный поток Φ 1 <Φ 0 , а другой несет поток Φ 2 = Φ 0 - Φ 1 . Здесь Φ 0 - квант магнитного потока . Эти вихри являются солитонами двойного уравнения синус-Гордон . [11] Они наблюдались в переходах границ зерен d-волны. [6]
Приложения
- Подобно переходу Пи Джозефсона, φ-переходы могут использоваться в качестве фазовой батареи.
- Два стабильных состояния + φ и -φ могут использоваться для хранения цифровой информации. Чтобы записать желаемое состояние, можно приложить магнитное поле, так что один из минимумов энергии исчезнет, так что у фазы нет выбора, чтобы перейти к оставшемуся. Для считывания неизвестного состояния φ-переходов можно применить ток смещения со значением между двумя критическими токами. Если φ-переход переключается в состояние напряжения, его состояние было −φ, в противном случае - + φ. Использование φ-переходов в качестве ячейки памяти (1 бит) уже было продемонстрировано. [12]
- В квантовой области φ-переход может использоваться как двухуровневая система (кубит).
Смотрите также
Рекомендации
- ^ а б Буздин, А .; Кошелев, А. (июнь 2003 г.). «Периодические чередующиеся структуры с 0- и π-переходами как реализация φ-джозефсоновских переходов». Physical Review B . 67 (22): 220504. arXiv : cond-mat / 0305142 . Bibcode : 2003PhRvB..67v0504B . DOI : 10.1103 / PhysRevB.67.220504 .
- ^ Ильичев, Э .; Grajcar, M .; Глубина, Р .; IJsselsteijn, RPJ; Hoenig, HE; Meyer, H.-G .; Голубов, А .; Амин, MHS; Загоскин А.М.; Омельянчук, АН; Куприянов, М.Ю. (4 июня 2001 г.). «Вырожденное основное состояние в мезоскопическом граничном джозефсоновском переходе зерна». Письма с физическим обзором . 86 (23): 5369–5372. arXiv : cond-mat / 0102404 . Bibcode : 2001PhRvL..86.5369I . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.86.5369 . PMID 11384500 .
- ^ Testa, G .; Монако, А .; Эспозито, Э .; Sarnelli, E .; Канг, Д.-Дж .; Mennema, SH; Tarte, EJ; Бламир, MG (2004). «Midgap state-based π-переходы для цифровых приложений». Письма по прикладной физике . 85 (7): 1202. Bibcode : 2004ApPhL..85.1202T . DOI : 10.1063 / 1.1781744 .
- ^ Sickinger, H .; Lipman, A .; Weides, M .; Минц, РГ; Kohlstedt, H .; Koelle, D .; Kleiner, R .; Голдобин, Э. (сентябрь 2012 г.). «Экспериментальные свидетельства φ Джозефсоновского перехода». Письма с физическим обзором . 109 (10): 107002. arXiv : 1207.3013 . Bibcode : 2012PhRvL.109j7002S . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.109.107002 . PMID 23005318 .
- ^ Минц, Р. (февраль 1998 г.). «Самогенерируемый поток в джозефсоновских контактах с переменной плотностью критического тока». Physical Review B . 57 (6): R3221 – R3224. Bibcode : 1998PhRvB..57.3221M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.57.R3221 .
- ^ а б Минц, р .; Папиашвили, Илья (август 2001 г.). «Джозефсоновские вихри с дробными квантами потока на границах зерен YBa2Cu3O7-x». Physical Review B . 64 (13): 134501. Bibcode : 2001PhRvB..64m4501M . DOI : 10.1103 / PhysRevB.64.134501 .
- ^ Голдобин, Э .; Koelle, D .; Kleiner, R .; Минц, Р.Г. (ноябрь 2011 г.). «Джозефсоновский переход с перестраиваемым основным состоянием магнитного поля». Письма с физическим обзором . 107 (22): 227001. arXiv : 1110.2326 . Bibcode : 2011PhRvL.107v7001G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.107.227001 . PMID 22182037 .
- ^ Сомбати, ДБ; С. Надж-Перге; D. Автомобиль; С.Р. Плиссар; EPAM Bakkers; LP Kouwenhoven (2 мая 2016 г.). «Джозефсоновский ϕ0-переход в квантовых точках нанопроволоки». Физика природы . 12 (6): 568–572. arXiv : 1512.01234 . Bibcode : 2016NatPh..12..568S . DOI : 10.1038 / nphys3742 .
- ^ Gumann, A .; Iniotakis, C .; Шополь, Н. (2007). «Геометрический π-джозефсоновский переход в d-волновых сверхпроводящих тонких пленках». Письма по прикладной физике . 91 (19): 192502. arXiv : 0708.3898 . Bibcode : 2007ApPhL..91s2502G . DOI : 10.1063 / 1.2801387 .
- ^ Минц, р .; Папиашвили, Илья; Kirtley, J .; Hilgenkamp, H .; Hammerl, G .; Маннхарт, Дж. (Июль 2002 г.). «Наблюдение расщепленных джозефсоновских вихрей на границах зерен в YBa2Cu3O 7 − δ » . Письма с физическим обзором . 89 (6): 067004. Bibcode : 2002PhRvL..89f7004M . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.89.067004 . PMID 12190605 .
- ^ Голдобин, Э .; Koelle, D .; Kleiner, R .; Буздин, А. (декабрь 2007 г.). «Джозефсоновские переходы со второй гармоникой в соотношении ток-фаза: свойства φ-переходов». Physical Review B . 76 (22): 224523. arXiv : 0708.2624 . Bibcode : 2007PhRvB..76v4523G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.76.224523 .
- ^ Голдобин, Э .; Sickinger, H .; Weides, M .; Ruppelt, N .; Kohlstedt, H .; Kleiner, R .; Коэль, Д. (2013). «Ячейка памяти на основе ϕ джозефсоновского перехода». Письма по прикладной физике . 102 (24): 242602. arXiv : 1306.1683 . Bibcode : 2013ApPhL.102x2602G . DOI : 10.1063 / 1.4811752 .