Узел Пи Джозефсона

Эта статья написана как исследовательская статья или научный журнал, в котором могут использоваться чрезмерно технические термины, или же она может быть написана не как энциклопедическая статья . Пожалуйста, помогите улучшить его , переписав в энциклопедическом стиле . ( Июнь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Джозефсона представляет собой квантово - механическое устройство , которое состоит из двух сверхпроводящих электродов , разделенных барьером (тонкий изолирующий туннельный барьер, нормального металла, полупроводника, ферромагнетика и т.д.). Π Джозефсона является Джозефсона , в котором фаза Джозефсона φ равна π в основном состоянии, то есть при отсутствии внешнего тока или магнитного поля не применяется.

Фон [ править ]

Сверхпроводящий я _˙s через Джозефсона (JJ) , как правило , дается я _ев = я _Ĉ Sin ( φ ), где φ является разность фаз сверхпроводящих волновых функций двух электродов, т.е. фазы Джозефсона . ^[1] Критический ток I _c - это 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 ясно, что фаза φ = arcsin ( I /I _c ), где I - приложенный (сверх) ток.

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

Когда нет тока ( I  = 0) через джозефсоновский переход, 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 является неустойчивым и соответствует энергии Джозефсона максимума, в то время как состояние φ  = 0 соответствует энергии Джозефсона минимума и является основным состоянием.

В некоторых случаях можно получить джозефсоновский переход с отрицательным критическим током ( I _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 является и соответствует джозефсоновскому минимуму энергии , в то время как обычное состояние φ = 0 является нестабильным и соответствует джозефсоновскому максимуму энергии . Такой джозефсоновский переход с в основном состоянии называется π-  джозефсоновским переходом .${\ displaystyle \ phi = \ pi}$${\ displaystyle \ phi = \ pi}$

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 индуктивность по часовой стрелке или против часовой стрелки. Этот сверхток является самопроизвольным и относится к основному состоянию системы. Направление его обращения выбирается случайным образом. Этот сверхток, конечно, будет индуцировать магнитное поле, которое может быть обнаружено экспериментально. Магнитный поток , проходящий через контур будет иметь значение от 0 до половины магнитного потока квантов , то есть от 0 до Ф ₀ /2, в зависимости от величины индуктивности  L .

Технологии и физические принципы [ править ]

• Ферромагнитные джозефсоновские переходы . Рассмотрим джозефсоновский с ферромагнитным Джозефсона барьера, т.е. мультислоях S uperconductor- F erromagnet- S uperconductor (ГЛС) или S uperconductor- Я nsulator- F erromagnet- S uperconductor (SIFS). В таких структурах сверхпроводящий параметр порядка внутри F-слоя колеблется в направлении, перпендикулярном плоскости перехода. 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 πДжозефсоновский переход. Обратите внимание, что внутри F-слоя происходит конкуренция разных решений, и побеждает то, что имеет меньшую энергию. Изготовлены различные ферромагнитные переходы: SFS-переходы со слабыми ферромагнитными прослойками; ^[2] SFS-переходы с сильными ферромагнитными прослойками, такие как Co, Ni, ^[3] PdFe ^[4] и NiFe ^[5] SIFS-переходы; ^{[3] [6] [7] [8]} и S-Fi-S переходы. ^[9]${\ displaystyle \ pi}$

• 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 b кристалла . Если смотреть в направлении ab (45 ° между a и b ), параметр порядка обращается в нуль. Создавая 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-  джозефсоновских контактов этого типа:
  • джозефсоновские переходы на границе трехкристаллических зерен, ^[10]
  • тетракристаллические границы зерен джозефсоновские переходы, ^{[11] [12]}
  • d-волна / s-волна, зигзаг JJs Джозефсоновские переходы, ^{[13] [14] [15] [16]}
  • Джозефсоновские переходы границы зерен наклона-закрутки ^[17]
  • Джозефсоновские переходы на основе p-волн.
• S uperconductor- N ormalMetal- S uperconductor (СНС) джозефсоновские переходы с неравновесным распределением электронов в N-слое. ^[18]
• Джозефсоновские переходы сверхпроводник- квантовая точка- сверхпроводник (S-QuDot-S) (реализованные джозефсоновскими переходами из углеродных нанотрубок ). ^[19]

Исторические события [ править ]

Теоретически возможность создания джозефсоновского перехода впервые обсуждалась Булаевским и др. , ^[20], которые рассмотрели джозефсоновский переход с парамагнитным рассеянием в барьере. Почти десять лет спустя возможность существования джозефсоновского перехода обсуждалась в контексте тяжелых фермионных сверхпроводников с p-волной. ^[21] Экспериментально первый джозефсоновский переход представлял собой угловой переход, сделанный из оксида иттрия, бария, меди (d-волна) и Pb (s-волна) сверхпроводников. ^[13] Первое недвусмысленное доказательство джозефсоновского контакта с ферромагнитным барьером было дано только десятилетие спустя. ^[2]${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ pi}$${\ displaystyle \ pi}$В этой работе использовался слабый ферромагнетик, состоящий из медно-никелевого сплава (Cu _x Ni _{1 − x} , с x около 0,5), и оптимизирован его так, чтобы температура Кюри была близка к температуре сверхпроводящего перехода сверхпроводящих ниобиевых выводов.

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]