Сверхпроводящий туннельный переход ( СТП ) - также известный как сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник туннельного перехода ( SIS ) - это электронное устройство , состоящее из двух сверхпроводников , разделенных очень тонким слоем изоляционного материала. Ток проходит через переход через процесс квантового туннелирования . STJ - это тип перехода Джозефсона , хотя не все свойства STJ описываются эффектом Джозефсона.
Эти устройства имеют широкий диапазон применений, в том числе высокой чувствительности детекторов от электромагнитного излучения , магнитометров , высокоскоростных цифровых печатных элементов и квантовых вычислений схем.
Квантовое туннелирование
Все токи, протекающие через STJ, проходят через изолирующий слой в процессе квантового туннелирования . У туннельного тока есть две составляющие. Первый - от туннелирования 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. Второй - это ток квазичастиц , который в пределе нулевой температуры, возникает, когда энергия от напряжения смещенияпревышает вдвое значение сверхпроводящей запрещенной зоны Δ. При конечной температуре небольшой туннельный ток квазичастиц, называемый подзонным током, присутствует даже при напряжениях, меньших, чем удвоение энергетической щели, из-за теплового продвижения квазичастиц над щелью.
Если STJ облучается фотонами с частотой, на кривой постоянного тока вольт-амперной характеристики будут присутствовать как ступеньки Шапиро, так и ступени, обусловленные туннелированием с помощью фотонов. Шаги Шапиро возникают из-за реакции сверхтока и происходят при напряжениях, равных, где является постоянной Планка ,- заряд электрона , аявляется целым числом . [2] Туннелирование с помощью фотонов возникает из-за отклика квазичастиц и вызывает ступеньки, смещенные по напряжению наотносительно напряжения на зазоре. [3]
Изготовление устройства
Устройство обычно изготавливается путем сначала нанесения тонкой пленки из сверхпроводящего металла, такого как алюминий, на изолирующую подложку, например кремний . Осаждение производится внутри вакуумной камеры . Затем в камеру вводится газообразный кислород , в результате чего образуется изолирующий слой оксида алюминия () с типичной толщиной в несколько нанометров . После восстановления вакуума осаждается перекрывающийся слой сверхпроводящего металла, завершая STJ. Для создания четко определенной области перекрытия обычно используется процедура, известная как техника Нимейера-Долана . В этом методе используется подвесной мост из резиста с нанесением двойного угла для определения стыка.
Алюминий широко используется для создания сверхпроводящих туннельных переходов из-за его уникальной способности образовывать очень тонкий (2-3 нм) изолирующий оксидный слой без дефектов, которые закорачивают изолирующий слой. Сверхпроводящий критическая температура алюминия составляет около 1,2 Кельвина (К). Для многих применений, удобно иметь устройство , которое является сверхпроводящим при более высокой температуре, в частности при температуре выше точки кипения из жидкого гелия , который является 4,2 К при атмосферном давлении. Один из подходов к достижению этого заключается в использовании ниобия , который имеет критическую температуру сверхпроводимости в объеме 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 слой алюминия находится вблизи более толстого ниобия, и полученное устройство имеет сверхпроводящую критическую температуру выше 4,2 К. [4] В ранних работах использовались туннельные переходы свинец- оксид-свинец. [5] Свинец имеет сверхпроводящую критическую температуру 7,2 К в массивной форме, но оксид свинца имеет тенденцию к развитию дефектов (иногда называемых точечными дефектами), которые замыкают туннельный барьер, когда устройство термически переключается между криогенными температурами и комнатной температурой, в результате свинец больше не широко используется для изготовления STJ.
Приложения
Радиоастрономия
STJ являются наиболее чувствительными гетеродинными приемниками в диапазоне частот от 100 ГГц до 1000 ГГц и, следовательно, используются в радиоастрономии на этих частотах. [6] В этом приложении STJ смещен по постоянному току при напряжении чуть ниже напряжения зазора (). Высокочастотный сигнал от интересующего астрономического объекта фокусируется на STJ вместе с источником гетеродина . 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 квантового шума . [8]
Однофотонное обнаружение
Помимо гетеродинного детектирования, STJ могут также использоваться в качестве прямых детекторов. В этом приложении STJ смещается постоянным напряжением, меньшим, чем напряжение промежутка. Фотон поглощается в сверхпроводник разрывов куперовских пар 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 рентгеновского до инфракрасного . [9]
Кальмары
Сверхпроводящие устройства квантовой интерференции или СКВИД основано на сверхпроводящем контуре , содержащем Джозефсона. СКВИДы - самые чувствительные магнитометры в мире , 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 первичным активным элементом в быстрых квантовых схемах с одиночным потоком или быстрых логических схемах RSFQ . [10]
Стандарт напряжения Джозефсона
Когда высокочастотный ток подается на джозефсоновский переход, переменный ток Джозефсона будет синхронизироваться с приложенной частотой, что приведет к появлению областей постоянного напряжения на ВАХ устройства (шаги Шапиро). Для целей стандартов напряжения эти шаги выполняются при напряжениях где 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 « условного » вольт. [11] [12]
Смотрите также
- Сверхпроводимость
- Эффект джозефсона
- Макроскопические квантовые явления
- Квантовое туннелирование
- Сверхпроводящее устройство квантовой интерференции (СКВИД)
- Сверхпроводящие квантовые вычисления
- Быстрый квант одиночного потока (RSFQ)
- Детекторы криогенных частиц
Рекомендации
- ^ BD Джозефсона, "Возможные новые эффекты в сверхпроводящем туннелирования," Physics Letters 1 , 251 (1962), DOI : 10,1016 / 0031-9163 (62) 91369-0
- ^ С. Шапиро, "Джозефсоновские токи в сверхпроводящем туннелировании: эффект микроволн и другие наблюдения" Physical Review Letters 11 , 80 (1963), doi : 10.1103 / PhysRevLett.11.80
- ^ М. Тинкхэм, Введение в сверхпроводимость , 2-е издание, Dover Publications, 1996
- ^ А. Джозеф, Дж Сесе, Дж Flokstra, и HG Kerkhoff, "Структурные испытания процесса HYPRES ниобия," IEEE Transactions по прикладной сверхпроводимости , 15 , 106 (2005), DOI : 10,1109 / TASC.2005.849705
- ^ ГДж Долан, Т. Филлипс и ДП Вуди, «низким уровнем шума 115 ГГц перемешивания в сверхпроводящем Оксид барьера туннельных переходов,» Applied Physics Letters 34 , 347 (1979), DOI : 10,1063 / 1,90783
- ^ J. Zmuidzinas и PL Richards, "Сверхпроводящие детекторы и смесители для миллиметровой и субмиллиметровой астрофизики", Труды IEEE 92 , 1597 (2004), DOI : 10.1109 / JPROC.2004.833670
- ^ МДж Wengler, "Обнаружение Субмиллиметровая-волна с сверхпроводящих туннельных диодов," Труды IEEE 80 , 1810 (1992), DOI : 10.1109 / 5.175257
- ^ JR Такер, "Квантовый ограничено обнаружение в туннельных переходов смесителей," IEEE Журнал квантовой электроники 15 , 1234 (1979), DOI : 10,1109 / JQE.1979.1069931
- ^ STJ детекторы из Европейского космического агентства , доступ 8-17-11
- ^ К.К. Лихарев и В.К. Семенов, «Семейство логики / памяти RSFQ: новая технология перехода Джозефсона для цифровых систем с субтерагерцовой тактовой частотой», « Транзакции IEEE по прикладной сверхпроводимости 1 , 3 (1991) doi : 10.1109 / 77.80745
- ^ СА Гамильтон, Р. Л. Kautz, Р. Л. Steiner и FL Lloyd, "Практическое стандартные напряжения Джозефсона на 1 V" , Письма IEEE электронного устройства 6 , 623 (1985), DOI : 10,1109 / EDL.1985.26253
- ^ Квантовая метрология напряжения в NIST , доступ 11-5-11.