Josephson diod

En Josephson-diod är en elektronisk enhet som supraleder elektrisk ström i en riktning och är resistiv i den andra riktningen. Enheten är en Josephson-övergång som uppvisar en supraledande diodeffekt (SDE). Det är ett exempel på en kvantmaterial Josephson-övergång (QMJJ), där den svaga länken i korsningen är ett kvantmaterial.

Josephson-dioder kan delas in i två kategorier, de som kräver ett externt (magnetiskt) fält och de som inte kräver ett externt magnetfält; de så kallade "fältfria" Josephson-dioderna. 2021 realiserades den fältfria Josephson-dioden.

Historia

Schematisk exempel på den första fältfria Josephson-dioden med användning av NbSe ₂ och Nb ₃ Br ₈ .

Josephson-dioden är uppkallad efter den brittiske fysikern Brian David Josephson , som förutspådde Josephson-effekten ; och den resistiva dioden, eftersom den har en liknande funktion. 2007 föreslogs en "Josephson-diod" med en design som liknade konventionella pn-övergångar i halvledare, men med hål- och elektrondopade supraledare. Detta skiljer sig från "Josephson fluxonic diode" som introducerades före 2000-talet. Det skiljer sig också från hur termen används för närvarande, där en Josephson-diod är en Josephson-övergång som uppvisar en supraledande diodeffekt.

År 2020 visades en supraledande diodeffekt i ett artificiellt [Nb/V/Ta] _n supergitter. En fältfri supraledande diodeffekt realiserades 2021, i en van der Waals-heterostruktur av NbSe ₂ /Nb ₃ Br ₈ /NbSe ₂ - en Josephson-diod. Denna heterostruktur är en kvantmaterial Josephson-övergång, där den svaga länken (Nb ₃ Br ₈ ) är ett kvantmaterial, som förutspås vara en obstruerad atomisolator / Mott-isolator.

Ledaren som användes i demonstrationen 2020 var icke-centrosymmetrisk vilket bryter rumssymmetri, vilket innebär att den skiljer mellan elektroner med positivt och negativt momentum. Dessutom bröt 2021-systemet också tidssymmetri – vilket gjorde att spin-up-elektroner med positivt momentum kunde bete sig annorlunda än spin-down-elektroner med negativt momentum.

Supraledande diodeffekt

Den supraledande diodeffekten är ett exempel på icke-reciprok supraledning, där ett material är supraledande i en riktning och resistivt i den andra. Detta leder till halvvågslikriktning när en fyrkantsvåg växelström appliceras. År 2020 visades denna effekt i ett artificiellt [Nb/V/Ta] _n supergitter. Fenomenet i Josephson-dioden tros härröra från asymmetrisk Josephson-tunnling.

Teorier

För närvarande är den exakta mekanismen bakom Josephson-diodeffekten inte helt klarlagd. Det har dock dykt upp några teorier som nu är under teoretisk utredning. Det finns två typer av Josephson-dioder, relaterade till vilka symmetrier som bryts. Inversionsbrytande Josephson-diod och inversionsbrytande plus tidsreverseringsbrytande Josephson - diod. Det minimala på symmetribrytning för att bilda Josephson-dioden är inversionssymmetribrott. Symmetribrytningen krävs för att erhålla icke-ömsesidig transport. En annan föreslagen mekanism för korta Josephson-korsningar härstammar från finita momentum Cooper-par . Det kan också vara möjligt att den supraledande diodeffekten i JD härrör från självfältseffekter, men detta måste fortfarande studeras noggrant.