Pi Josephson-korsningen

En Josephson-övergång är en kvantmekanisk anordning som är gjord av två supraledande elektroder åtskilda av en barriär (tunn isolerande tunnelbarriär, normalmetall, halvledare, ferromagnet, etc.). En $π$ Josephson-övergång är en Josephson-övergång där Josephson-fasen φ är lika med $π$ i jordtillståndet, dvs när ingen extern ström eller magnetfält appliceras.

Bakgrund

Superströmmen I _s genom en Josephson-övergång ( JJ) ges i allmänhet av I s = I _c sin( φ ), där φ är fasskillnaden för de två elektrodernas supraledande vågfunktioner, dvs _{Josephsonfasen} . Den kritiska strömmen I _c är den maximala överström som kan existera genom Josephson-övergången. I experiment orsakar man vanligtvis en viss ström genom Josephson-övergången och korsningen reagerar genom att ändra Josephson-fasen. Från formeln ovan är det tydligt att fasen φ = arcsin( I / I _c ), där I är den applicerade (super)strömmen.

Eftersom fasen är 2 $π$ -periodisk, dvs. φ och φ + 2 $π$ n är fysiskt ekvivalenta, utan att förlora generellitet, hänvisar diskussionen nedan till intervallet 0 ≤ φ < 2 $π$ .

När ingen ström ( I = 0) existerar genom Josephson-övergången, t.ex. när övergången är frånkopplad, är övergången i jordtillstånd och Josephson-fasen över den är noll ( φ = 0). Fasen kan också vara φ = $π$ , vilket också resulterar i ingen ström genom korsningen. Det visar sig att tillståndet med φ = $π$ är instabilt och motsvarar Josephsons energimaximum, medan tillståndet φ = 0 motsvarar Josephsons energiminimum och är ett grundtillstånd.

I vissa fall kan man få en Josephson-övergång där den kritiska strömmen är negativ ( I _c < 0). I detta fall blir den första Josephson-relationen

I_{s}=-|I_{c}|\sin(\varphi )=|I_{c}|\sin(\varphi +\pi )

Grundtillståndet för en sådan Josephson-korsning är $\phi =\pi$ och motsvarar Josephsons energiminimum , medan det konventionella tillståndet φ = 0 är instabilt och motsvarar Josephsons energimaximum . En sådan Josephson-korsning med $\phi =\pi$ i grundtillståndet kallas en $π$ Josephson-korsning.

₀ $π$ Josephson-korsningar har ganska ovanliga egenskaper. Om man till exempel kopplar (kortar) de supraledande elektroderna med induktansen L (t.ex. supraledande tråd), kan man förvänta sig att den spontana superströmmen cirkulerar i slingan, passerar genom kopplingen och genom induktansen medurs eller moturs. Denna superström är spontan och tillhör systemets grundtillstånd. Riktningen för dess cirkulation väljs slumpmässigt. Denna superström kommer naturligtvis att inducera ett magnetfält som kan detekteras experimentellt. Det magnetiska flödet som passerar genom slingan kommer att ha värdet från 0 till hälften av magnetiska flödeskvanta , dvs från 0 till Φ /2, beroende på värdet på induktansen L .

Teknik och fysikaliska principer

Ferromagnetiska Josephson-korsningar . Betrakta en Josephson-övergång med en ferromagnetisk Josephson-barriär , dvs flerskiktssupraledaren- F erromagnet- Superledare ( SFS) eller Superledare- I nsulator- F erromagnet- Superledare ( SIFS). I sådana strukturer svänger den supraledande ordningens parameter inuti F-skiktet i riktningen vinkelrät mot förbindelseplanet. Som ett resultat, för vissa tjocklekar av F-skiktet och temperaturer, kan ordningsparametern bli +1 vid en supraledande elektrod och −1 vid den andra supraledande elektroden. I denna situation får man en $π$ Josephson-korsning. Observera att inne i F-lagret sker konkurrensen mellan olika lösningar och den med lägre energi vinner. Olika ferromagnetiska $\pi$ -övergångar har tillverkats: SFS-övergångar med svaga ferromagnetiska mellanskikt; SFS-övergångar med starka ferromagnetiska mellanskikt, såsom Co, Ni, PdFe och NiFe SIFS-övergångar; och S-Fi-S-korsningar.

Josephson-korsningar med okonventionell ordningsparametersymmetri . Nya supraledare, särskilt högtemperatur-kupratsupraledare, har en anisotrop supraledande ordningsparameter som kan ändra sitt tecken beroende på riktningen. Speciellt har en så kallad d-vågsordningsparameter värdet +1 om man tittar längs kristallaxeln a och −1 om man tittar längs kristallaxeln b . Om man tittar längs ab -riktningen (45° mellan a och b ) försvinner ordningsparametern. Genom att göra Josephson-övergångar mellan supraledande d-vågsfilmer med olika orienteringar eller mellan d-våg och konventionella isotropa s-vågssupraledare kan man få en fasförskjutning på $\pi$ $\pi$ . Nuförtiden finns det flera realiseringar av π Josephson-korsningar av denna typ:
- trekristallkornsgräns Josephson-korsningar,
- tetrakristallkorngräns Josephson-korsningar,
- d-wave/s-wave ramp sicksack JJs Josephson-korsningar,
- tilt-twist korngräns Josephson-korsningar,
- p-vågsbaserade Josephson-korsningar.
Supraledare- N ormalMetal- Supraledare (SNS) Josephson-övergångar med icke-jämviktselektronfördelning i N-skikt .
Supraledare – quantum dot -supraledare (S-QuDot-S) Josephson-övergångar (implementerade av Josephson-korsningar av kolnanorör ).

Historisk utveckling

diskuterades första gången möjligheten att skapa en ${\displaystyle \pi } Josephson-korsning av Bulaevskii$ et al. , som övervägde en Josephson-korsning med paramagnetisk spridning i barriären. Nästan ett decennium senare diskuterades möjligheten att ha en ${\displaystyle \pi } Josephson-övergång i samband med tunga fermion-p-vågssupraledare.$ Experimentellt var den första $\pi$ Josephson-övergången en hörnövergång gjord av yttriumbarium-kopparoxid (d-våg) och Pb (s-våg) supraledare. Det första entydiga beviset på en $\pi$ Josephson-övergång med en ferromagnetisk barriär gavs bara ett decennium senare. Det arbetet använde en svag ferromagnet bestående av en koppar-nickellegering (Cu _x Ni _{1− x} , med x runt 0,5) och optimerade den så att Curie-temperaturen var nära den supraledande övergångstemperaturen för de supraledande niobledarna .

Se även