Phi Josephson-korsningen

En φ Josephson-korsning (uttalas phi Josephson-korsning ) är en speciell typ av Josephson-korsningen , som har en Josephson-fas φ som inte är noll över sig i grundtillståndet. En π Josephson-övergång , som har den minsta energi som motsvarar fasen av π, är ett specifikt exempel på det.

Introduktion

Josephson-energin $U$ beror på den supraledande fasskillnaden (Josephson-fasen) $\phi$ periodiskt, med perioden $2\pi$ . Låt oss därför bara fokusera på en period, t.ex. $-\pi <\phi \leq +\pi$ . I den vanliga Josephson-korsningen har beroendet $U(\phi )$ minimum vid $\phi =0$ . Funktionen

U(\phi )={\frac {\Phi _{0}I_{c}}{2\pi }}[ 1-\cos(\phi )]

,

där $I c$ är den kritiska strömmen för korsningen, och $\Phi _{0}$ är flödeskvantum , är ett bra exempel på konventionell $U(\phi )$ .

Istället, när Josephson-energin $U(\phi )$ har ett minimum (eller mer än ett minimum per period) vid $\phi \neq 0$ , motsvarar dessa minimum (minima) till korsningens lägsta energitillstånd (grundtillstånd) och man talar om "φ Josephson-övergång ". Betrakta två exempel.

Betrakta först korsningen med Josephson-energin $U(\phi )$ som har två minima vid $\phi =\pm \varphi$ inom varje period, där $\varphi$ (så att $0<\varphi <\pi$ ) är ett tal. Detta är till exempel fallet för

$U(\phi )={\frac {\Phi _{0}}{2\pi }}\left\{I_{c1}[1-\cos(\phi )]+{\frac {1}{2}}I_{c2}[1- \cos(2\phi )]\right\}$ ,

som motsvarar ström-fas-relationen

$I_{s}(\phi )=I_{c1}\sin(\phi )+I_{c2 }\sin(2\phi)$ .

Om $I c1 >0$ och $I c2 <-1/2<0 uppstår$ minima för Josephson-energin vid $\phi =\pm \varphi$ , där $\varphi =\arccos \left(-2I_{c1}/I_{c2}\right)$ . Observera att grundtillståndet för en sådan Josephson-korsning är dubbelt degenererat eftersom $U(-\varphi )=U(+\varphi )$ .

Ett annat exempel är kopplingen med Josephson-energin som liknar den konventionella energin, men skiftad längs $\phi$ -axeln, till exempel $U(\phi )={\frac {\Phi _{0}I_{c}}{2\pi }}[1-\cos(\phi -\varphi _{0})]$ ,

och motsvarande ström-fas-relation

$I_{s}(\phi )=I_{c}\sin(\phi -\varphi _{0})$ .

I det här fallet är grundtillståndet $\phi =\varphi _{0}$ och det är inte degenererat.

Ovanstående två exempel visar att Josephsons energiprofil i φ Josephson-övergången kan vara ganska olika, vilket resulterar i olika fysikaliska egenskaper. Ofta, för att urskilja vilken speciell typ av ström-fas-relationen som avses, använder undersökningarna olika namn. För närvarande finns det ingen vedertagen terminologi. Vissa forskare använder dock terminologin efter A. Buzdin: Josephson-övergången med dubbelt degenererat grundtillstånd ${\displaystyle \phi =\pm \varphi } ,$ liknande det första exemplet ovan, kallas verkligen φ Josephson-övergången , medan korsningen med icke-degenererat grundtillstånd, liknande det andra exemplet ovan, kallas $\varphi _{0}$ Josephson-korsningar.

Realisering av φ-korsningar

De första indikationerna på φ-övergångsbeteende (degenererade marktillstånd eller okonventionellt temperaturberoende för dess kritiska ström) rapporterades i början av 2000-talet. Dessa kopplingar var gjorda av d-vågssupraledare.

Den första experimentella realiseringen av kontrollerbar φ-korsning rapporterades i september 2012 av gruppen Edward Goldobin vid universitetet i Tübingen. Den är baserad på en kombination av 0- och π-segment i en supraledande-isolator-ferromagnetisk-supraledare hybridenhet och visar tydligt två kritiska strömmar som motsvarar två kopplingstillstånd ϕ = ± φ {\displaystyle \phi = $}$ . Förslaget att konstruera en φ Josephson-korsning av (oändligt mycket) många 0- och π-segment har dykt upp i verk av R. Mints och medförfattare, även om det vid den tiden inte fanns någon term φ-korsning. För första gången dök ordet φ Josephson-korsning upp i Buzdins och Koshelevs verk, vars idé var liknande. Efter denna idé föreslogs det vidare att använda en kombination av endast två 0- och π-segment.

Under 2016 rapporterades en $\varphi _{0}$ -korsning baserad på nanotrådskvantumpunkten av gruppen Leo Kouwenhoven vid Delfts tekniska universitet . InSb nanotråden har stark spin-omloppskoppling , och magnetfält applicerades som ledde till Zeeman- effekten . Denna kombination bryter både inversions- och tidsreverseringssymmetrier och skapar ändlig ström vid noll fasskillnad.

Andra teoretiskt föreslagna realiseringar inkluderar geometriska φ-korsningar. Det finns en teoretisk förutsägelse att man kan konstruera den så kallade geometriska φ-övergången baserat på nanostrukturerad d-vågssupraledare. Från och med 2013 visades detta inte experimentellt.

Egenskaper för φ-korsningar

Två kritiska strömmar relaterade till fasens flykt (depinning) från två olika brunnar av Josephson-potentialen. Den lägsta kritiska strömmen kan endast ses experimentellt vid låg dämpning (låg temperatur). Mätningarna av den kritiska strömmen kan användas för att bestämma det (okända) tillståndet (+φ eller -φ) för φ-övergången.
I fallet med φ-övergången konstruerad av 0- och π-segment, kan magnetfält användas för att ändra Josephsons energiprofils asymmetri upp till den punkt att ett av minima försvinner. Detta gör det möjligt att förbereda det önskade tillståndet (+φ eller -φ). Asymmetrisk periodisk Josephson-energipotential kan också användas för att konstruera spärrliknande anordningar.
Långa φ-övergångar tillåter speciella typer av solitonlösningar --- de splittrade virvlarna av två typer: den ena bär det magnetiska flödet $Φ 1 <Φ 0$ , medan den andra bär flödet $0 Φ 2 =Φ -Φ 1$ . Här $Φ 0$ det magnetiska flödeskvantumet . Dessa virvlar är solitonerna i en dubbel sinus-Gordon-ekvation. De observerades i d-vågskorngränsövergångar.

Ansökningar

I likhet med Pi Josephson-övergången kan φ-övergångar användas som ett fasbatteri.
Två stabila tillstånd +φ och -φ kan användas för att lagra en digital information. För att skriva det önskade tillståndet kan man applicera magnetfält, så att ett av energiminima försvinner, så fasen har inget val att gå till det återstående. För att läsa ut ett okänt tillstånd för φ-övergångarna kan man applicera förspänningsströmmen med värde mellan de två kritiska strömmarna. Om φ-övergångarna växlar till spänningstillståndet var dess tillstånd −φ, annars var det +φ. Användningen av φ-övergångar som en minnescell (1 bit) har redan demonstrerats.
I kvantdomänen kan φ-övergången användas som ett tvånivåsystem (qubit).

Se även