Supraledande tunnelkorsning

Den supraledande tunnelövergången ( STJ ) – även känd som en supraledare–isolator–supraledaretunnelövergång ( SIS ) – är en elektronisk enhet som består av två supraledare åtskilda av ett mycket tunt lager av isolerande material. Ström passerar genom korsningen via processen med kvanttunnel . STJ är en typ av Josephson-korsning , även om inte alla egenskaper hos STJ beskrivs av Josephson-effekten.

Dessa enheter har ett brett utbud av tillämpningar, inklusive högkänsliga detektorer för elektromagnetisk strålning , magnetometrar , höghastighets digitala kretselement och kvantberäkningskretsar .

Kvanttunneling

Illustration av en tunnfilm supraledande tunnelövergång (STJ). Det supraledande materialet är ljusblått, den isolerande tunnelbarriären är svart och substratet är grönt.

Energidiagram över en supraledande tunnelövergång. Den vertikala axeln är energi, och den horisontella axeln visar tätheten av tillstånd . Cooper-par finns vid Fermi-energin , indikerat av de streckade linjerna. En förspänning V appliceras över korsningen, och skiftar Fermi-energierna för de två supraledarna i förhållande till varandra med en energi eV, där e är elektronladdningen . Kvasipartikeltillstånd existerar för energier större än Δ från Fermi-energin, där Δ är det supraledande energigapet. Grönt och blått indikerar tomma respektive fyllda kvasipartikeltillstånd vid nolltemperatur.

Skiss över ström-spänningskurvan (IV) för en supraledande tunnelövergång. Cooper -parets tunnelström ses vid V = 0, medan kvasipartikeltunnelströmmen ses för V > 2Δ/e och V < -2Δ/e.

Alla strömmar som flyter genom STJ passerar genom det isolerande skiktet via processen med kvanttunnel . Det finns två komponenter till tunnelströmmen. Den första är från tunnling av Cooper-par . Denna superström beskrivs av AC och DC Josephson-relationerna , som först förutspåddes av Brian David Josephson 1962. För denna förutsägelse fick Josephson Nobelpriset i fysik 1973. Den andra är kvasipartikelströmmen , som, inom gränsen för nolltemperatur , uppstår när energin från förspänningen ${\displaystyle eV} överstiger två gånger$ av supraledande energigap Δ. Vid ändlig temperatur är en liten kvasipartikel-tunnelström - kallad subgap-ström - närvarande även för spänningar som är mindre än två gånger energigapet på grund av den termiska främjandet av kvasipartiklar ovanför gapet.

Om STJ bestrålas med fotoner med frekvensen $f$ kommer likströms-spänningskurvan att uppvisa både Shapiro-steg och -steg på grund av fotonassisterad tunnling. Shapiro-steg uppstår från superströmmens respons och uppträder vid spänningar lika med $nhf/(2e)$ , där $h$ är Plancks konstant , $e$ är elektronladdningen , och $n$ är ett heltal . Fotonassisterad tunnling uppstår från kvasipartiklarnas respons och ger upphov till steg som förskjuts i spänning med $nhf/e$ i förhållande till gapspänningen.

Tillverkning av anordning

Enheten tillverkas vanligtvis genom att först avsätta en tunn film av en supraledande metall såsom aluminium på ett isolerande substrat såsom kisel . Deponeringen utförs inuti en vakuumkammare . Syrgas införs sedan i kammaren, vilket resulterar i bildandet av ett isolerande lager av aluminiumoxid (Al $_{2}$ O ${\displaystyle _{3}})$ med en typisk tjocklek på flera nanometer . Efter att vakuumet har återställts avsätts ett överlappande lager av supraledande metall, vilket fullbordar STJ. För att skapa en väldefinierad överlappningsregion används vanligtvis en procedur som kallas Niemeyer-Dolan-tekniken . Denna teknik använder en upphängd bro av resist med en dubbelvinkelavsättning för att definiera korsningen.

Aluminium används ofta för att göra supraledande tunnelövergångar på grund av dess unika förmåga att bilda ett mycket tunt (2-3 nm) isolerande oxidskikt utan defekter som kortsluter det isolerande skiktet. Den supraledande kritiska temperaturen för aluminium är ungefär 1,2 kelvin (K). För många tillämpningar är det bekvämt att ha en anordning som är supraledande vid en högre temperatur, särskilt vid en temperatur över kokpunkten för flytande helium , vilket är 4,2 K vid atmosfärstryck. Ett tillvägagångssätt för att uppnå detta är att använda niob , som har en supraledande kritisk temperatur i bulkform på 9,3 K. Niob bildar dock inte en oxid som är lämplig för att göra tunnelövergångar. För att bilda en isolerande oxid kan det första lagret av niob beläggas med ett mycket tunt lager (cirka 5 nm) av aluminium, som sedan oxideras för att bilda en tunnelbarriär av aluminiumoxid av hög kvalitet innan det sista lagret av niob avsätts. Det tunna aluminiumskiktet proximiteras av det tjockare niobet, och den resulterande anordningen har en supraledande kritisk temperatur över 4,2 K. Tidigare arbete använde bly -blyoxid-bly tunnelövergångar. Bly har en supraledande kritisk temperatur på 7,2 K i bulkform, men blyoxid tenderar att utveckla defekter (ibland kallade pinhole-defekter) som kortsluter tunnelbarriären när enheten termiskt cyklas mellan kryogena temperaturer och rumstemperatur, så bly är ingen längre används ofta för att göra STJs.

Ansökningar

Radioastronomi

STJ: er är de mest känsliga heterodynmottagarna i frekvensområdet 100 GHz till 1000 GHz, och används därför för radioastronomi vid dessa frekvenser. I denna applikation är STJ: n likströmsförspänd vid en spänning precis under gapspänningen ( ${\displaystyle |V|=2\Delta /e} )$ . En högfrekvent signal från ett astronomiskt objekt av intresse fokuseras på STJ, tillsammans med en lokal oscillatorkälla . Fotoner som absorberas av STJ tillåter kvasipartiklar att tunnla via processen med fotonassisterad tunnling. Denna fotonassisterade tunnling ändrar ström-spänningskurvan och skapar en olinjäritet som producerar en utsignal vid skillnadsfrekvensen för den astronomiska signalen och den lokala oscillatorn. Denna utsignal är en nedkonverterad version av den astronomiska signalen. Dessa mottagare är så känsliga att en korrekt beskrivning av enhetens prestanda måste ta hänsyn till effekterna av kvantbrus .

Enkelfotondetektering

Förutom heterodyndetektering kan STJ också användas som direktdetektorer. I denna applikation är STJ:n förspänd med en likspänning mindre än gapspänningen. En foton som absorberas i supraledaren bryter Cooper-par och skapar kvasipartiklar . Kvasipartiklarna tunnlar över korsningen i riktningen för den pålagda spänningen, och den resulterande tunnelströmmen är proportionell mot fotonenergin. STJ-enheter har använts som singelfotondetektorer för fotonfrekvenser som sträcker sig från röntgenstrålar till infraröd .

Bläckfiskar

Den supraledande kvantinterferensanordningen eller SQUID är baserad på en supraledande slinga som innehåller Josephson-övergångar. SQUIDs är världens mest känsliga magnetometrar , som kan mäta ett enda magnetiskt flödeskvantum .

Kvantberäkning

Supraledande kvantberäkningar använder STJ-baserade kretsar, inklusive laddningskvantbitar , flödeskvantbitar och faskvantbitar .

RSFQ

STJ är det primära aktiva elementet i snabba enkelflödeskvantum eller RSFQ snabba logiska kretsar.

Josephson spänningsstandard

När en högfrekvent ström appliceras på en Josephson-övergång, kommer Josephson-växelströmmen att synkroniseras med den applicerade frekvensen, vilket ger upphov till områden med konstant spänning i enhetens IV-kurva (Shapiro-steg). För spänningsstandarder sker dessa steg vid spänningarna $nf/K_{J}$ där $n$ är ett heltal, $f$ är den applicerade frekvensen och Josephson-konstanten $K_{J}=483597.9\,{\textrm {GHz}}/{\textrm {V}}$ är en internationellt definierad konstant som väsentligen är lika med $2e/h$ . Dessa steg ger en exakt omvandling från frekvens till spänning. Eftersom frekvensen kan mätas med mycket hög precision, används denna effekt som grunden för Josephsons spänningsstandard, som implementerar den internationella definitionen av " konventionell " volt.

Josephson diod

I det fall att STJ visar asymmetrisk Josephson-tunnling kan korsningen bli en Josephson-diod .

Se även