Supravodivý uzel tunelu - Superconducting tunnel junction
The supravodivý tunel (STJ) - také známý jako a supravodič – izolátor – spojení tunelu supravodič (SIS) - je elektronický zařízení skládající se ze dvou supravodiče oddělené velmi tenkou vrstvou izolační materiál. Proud prochází spojem procesem kvantové tunelování. STJ je typ Josephson křižovatka, i když ne všechny vlastnosti STJ jsou popsány Josephsonovým efektem.
Tato zařízení mají širokou škálu aplikací, včetně vysoké citlivosti detektory z elektromagnetická radiace, magnetometry, vysokorychlostní digitální obvod prvky a kvantové výpočty obvodů.
Kvantové tunelování



Všechno proudy protékající STJ prochází izolační vrstvou procesem kvantové tunelování. Tunelovací proud má dvě složky. První je z tunelování Cooperové páry. Tento superproud je popsán střídavým a stejnosměrným proudem Josephsonovy vztahy, nejprve předpovězeno uživatelem Brian David Josephson v roce 1962.[1] Za tuto předpověď Josephson obdržel Nobelova cena za fyziku v roce 1973. Druhým je kvazičástice proud, který v limitu nulové teploty vzniká, když je energie z předpětí překračuje dvojnásobek hodnoty supravodivé energetické mezery Δ. Při konečné teplotě je malý kvazičásticový tunelovací proud - nazývaný subgapový proud - přítomen i pro napětí menší než dvojnásobek energetické mezery v důsledku tepelné podpory kvazičástic nad mezerou.
Pokud je STJ ozářen fotony frekvence , křivka stejnosměrného proudu stejnosměrného proudu bude vykazovat jak Shapirovy kroky, tak kroky v důsledku tunelování podporovaného fotony. Kroky Shapiro vznikají z reakce nadproudu a probíhají při stejných napětích , kde je Planckova konstanta, je elektron poplatek a je celé číslo.[2] Fotonem podporované tunelování vzniká reakcí kvazičástic a vede ke krokům posunutým v napětí o vzhledem k mezerovému napětí.[3]
Výroba zařízení
Zařízení je obvykle vymyslel nejprve nanesením tenkého filmu supravodivého kovu, jako je hliník na izolačním podkladu, jako je křemík. Depozice se provádí uvnitř a vakuová komora. Kyslík plyn se poté zavádí do komory, což vede k vytvoření izolační vrstvy oxid hlinitý () s typickou tloušťkou několika nanometry. Po obnovení vakua se nanese překrývající se vrstva supravodivého kovu, čímž se dokončí STJ. Chcete-li vytvořit dobře definovanou oblast překrytí, použijte postup známý jako Technika Niemeyer-Dolan se běžně používá. Tato technika používá zavěšený most z odolat s dvojitým úhlem pro definování spojení.
Hliník je široce používán pro výrobu supravodivých spojů tunelů kvůli své jedinečné schopnosti vytvořit velmi tenkou (2–3 nm) izolační vrstvu kysličník vrstva bez vad zkrat izolační vrstva. The supravodivé kritická teplota hliníku je přibližně 1,2 Kelvin (K). Pro mnoho aplikací je vhodné mít zařízení supravodivé při vyšší teplotě, zejména při teplotě nad bod varu z tekuté hélium, což je 4,2 K při atmosférickém tlaku. Jedním z přístupů k dosažení tohoto cíle je použití niob, který má supravodivou kritickou teplotu v sypké formě 9,3 K. Niob však netvoří oxid vhodný pro vytváření tunelů. Pro vytvoření izolačního oxidu může být první vrstva niobu potažena velmi tenkou vrstvou (přibližně 5 nm) hliníku, který je poté oxidován za vzniku vysoce kvalitní bariéry tunelu oxidu hlinitého před nanesením finální vrstvy niobu. Tenká hliníková vrstva je přiblížil silnějším niobem a výsledné zařízení má supravodivou kritickou teplotu nad 4,2 K.[4] Raná práce použita Vést - spojení tunelů z oxidu olovnatého a olova.[5] Vést má supravodivou kritickou teplotu 7,2 K v sypké formě, ale oxid olovnatý má sklon k tvorbě defektů (někdy nazývaných defekty dírek), které zkratují bariéru tunelu, když je zařízení tepelně cyklováno mezi kryogenní teploty a pokojová teplota a v důsledku toho se olovo již při výrobě STJ příliš nepoužívá.
Aplikace
Radioastronomie
STJ jsou nejcitlivější heterodyn přijímače ve frekvenčním rozsahu 100 GHz až 1000 GHz, a proto se používají pro radioastronomie na těchto frekvencích.[6] V této aplikaci je STJ dc zaujatý při napětí těsně pod mezerovým napětím (). Vysokofrekvenční signál z astronomického objektu zájmu je zaměřen na STJ spolu s a místní oscilátor zdroj. Fotony absorbované STJ umožňují tuzemským částicím tunelovat procesem tunelování podporovaného fotony. Toto fotonové tunelování mění křivku proudového napětí a vytváří nelinearitu, která produkuje výstup při rozdílové frekvenci astronomického signálu a místního oscilátoru. Tento výstup je verzí astronomického signálu se sníženou frekvencí.[7] Tyto přijímače jsou tak citlivé, že přesný popis výkonu zařízení musí brát v úvahu účinky kvantový šum.[8]
Detekce jednoho fotonu
Navíc heterodyn detekci lze STJ použít také jako přímé detektory. V této aplikaci je STJ předpjatý stejnosměrným napětím menším než mezerovým napětím. A foton absorbovaný v supravodičových zlomech Cooperové páry a vytváří kvazičástice. Kvazičástice tunelují přes křižovatku ve směru aplikovaného napětí a výsledný tunelovací proud je úměrný energii fotonu. Zařízení STJ se používají jako jednofotonové detektory pro fotonové frekvence v rozmezí od Rentgenové záření do infračervený.[9]
KAPALINY
The supravodivé kvantové interferenční zařízení nebo OLIHEŇ je založen na supravodivé smyčce obsahující křižovatky Josephson. SQUID jsou nejcitlivější na světě magnetometry, schopný měřit jeden kvantový magnetický tok.
Kvantové výpočty
Supravodivé kvantové výpočty využívá obvody založené na STJ, včetně poplatek qubits, tok qubits a fázové qubits.
RSFQ
STJ je primární aktivní prvek v rychlý kvantový tok nebo RSFQ rychlé logické obvody.[10]
Josephsonův standard napětí
Když je na křižovatku Josephson přiveden vysokofrekvenční proud, bude se střídavý proud Josephson synchronizovat s aplikovanou frekvencí, což povede k oblastem konstantního napětí v křivce I-V zařízení (kroky Shapiro). Pro účely napěťových standardů k těmto krokům dochází při napětí kde je celé číslo, je aplikovaná frekvence a Josephsonova konstanta je mezinárodně definovaná konstanta v podstatě stejná jako . Tyto kroky poskytují přesnou konverzi z frekvence na napětí. Protože frekvenci lze měřit s velmi vysokou přesností, používá se tento efekt jako základ Josephsonova napěťového standardu, který implementuje mezinárodní definici „ konvenční „volt.[11][12]
Viz také
- Supravodivost
- Josephsonův efekt
- Makroskopické kvantové jevy
- Kvantové tunelování
- Supravodivé kvantové interferenční zařízení (OLIHEŇ)
- Supravodivé kvantové výpočty
- Rychlý kvantový tok (RSFQ)
- Detektory kryogenních částic
Reference
- ^ B. D. Josephson, „Možné nové efekty v supravodivém tunelování,“ Fyzikální dopisy 1, 251 (1962), doi:10.1016/0031-9163(62)91369-0
- ^ S. Shapiro, „Josephsonovy proudy v supravodivém tunelování: Účinek mikrovln a dalších pozorování“ Dopisy o fyzické kontrole 11, 80 (1963), doi:10.1103 / PhysRevLett.11.80
- ^ M. Tinkham, Úvod do supravodivosti, 2. vydání, Dover Publications, 1996
- ^ A. A. Joseph, J. Sese, J. Flokstra a H. G. Kerkhoff, „Strukturální testování niobového procesu HYPRES,“ Transakce IEEE na aplikovanou supravodivost, 15, 106 (2005), doi:10.1109 / TASC.2005.849705
- ^ G. J. Dolan, T. G. Phillips a D. P. Woody, „Nízkošumové směšování 115 GHz v supravodivých spojích oxidové bariéry v tunelu“ Aplikovaná fyzikální písmena 34, 347 (1979), doi:10.1063/1.90783
- ^ J. Zmuidzinas a P. L. Richards, „Supravodivé detektory a směšovače pro milimetrovou a submilimetrovou astrofyziku“ Sborník IEEE 92, 1597 (2004), doi:10.1109 / JPROC.2004.833670
- ^ M. J. Wengler, „Detekce submilimetrových vln se supravodivými tunelovými diodami“ Sborník IEEE 80, 1810 (1992), doi:10.1109/5.175257
- ^ J. R. Tucker, „Kvantová omezená detekce v směšovačích tunelového propojení“, IEEE Journal of Quantum Electronics 15, 1234 (1979), doi:10.1109 / JQE.1979.1069931
- ^ Detektory STJ z Evropské kosmické agentury, přístup 8-17-11
- ^ K. K. Likharev a V. K. Semenov, „Rodina logiky / paměti RSFQ: nová technologie spojení Josephson pro digitální systémy s nižšími než terahertzovými hodinami“ Transakce IEEE na aplikovanou supravodivost 1, 3 (1991) doi:10.1109/77.80745
- ^ C. A. Hamilton, R. L. Kautz, R. L. Steiner a F. L. Lloyd, „Praktický standard napětí Josephson při 1 V,“ IEEE Electron Device Dopisy 6, 623 (1985), doi:10.1109 / EDL.1985.26253
- ^ Metrologie kvantového napětí na NIST, přístup 11-5-11