Жозефсон эффектісі: Кванттық құбылыс және қолданыстары

Кіріспе

Кванттық физикалық құбылыс

Физикада Джозефсон эффектісі – екі суперөткіш арасына қандай да бір тосқауыл немесе шектеу қойылып, жақын орналастырылған кезде туындайтын құбылыс. Бұл эффект британдық физик Брайан Джозефсонның есімімен аталады, ол 1962 жылы әлсіз байланыстағы ток пен кернеу арасындағы математикалық қатынастарды болжаған. Бұл макроскопиялық кванттық құбылыстың мысалы, онда кванттық механиканың әсерлері атомдық емес, кәдімгі масштабта байқалады. Джозефсон эффектісінің көптеген практикалық қолданыстары бар, себебі ол кернеу мен жиілік сияқты әртүрлі физикалық шамалар арасында нақты байланыс көрсетеді, бұл өте жоғары дәлдіктегі өлшемдерді мүмкін етеді. Джозефсон эффектісі жоғары ток деп аталатын ток тудырады, ол Джозефсон түйіспесі (JJ) деп аталатын құрылғы арқылы кернеусіз үздіксіз ағып өтеді. Олар екі немесе одан көп суперөткіштерден тұрады, олар әлсіз байланыс арқылы қосылған. Әлсіз байланыс жұқа оқшаулағыш тосқауыл (суперөткіш-оқшаулағыш-суперөткіш түйіспесі немесе S I S), суперөткіш емес металдың қысқа бөлігі (S N S) немесе контактілік нүктедегі суперөткізгішті әлсіздететін физикалық тарылу (S c S) болуы мүмкін. Джозефсон түйіспелері кванттық механикалық тізбектерде маңызды қолданысқа ие, мысалы SQUID, суперөткізгіш кубиттер және RSFQ цифрлік электроникасында. Бір вольтқа арналған NIST стандарты тізбек бойынша қосылған 20,208 Джозефсон түйіспесінің массиві арқылы жүзеге асырылады.

Тарих

DC Джозефсон эффектісі 1962 жылға дейін жасалған тәжірибелерде байқалған болатын, бірақ оны "супер қысқа тұйықтарға" немесе оқшаулағыш қабаттағы бұзушылықтарға байланыстырып түсіндірген, бұл суперөткізгіштер арасында электрондардың тікелей өтуіне әкелген. 1962 жылы Брайан Джозефсон суперөткізгіштік туннельдеуге қызығушылық танытты. Ол кезде оның жасы 23-ке толған еді және ол Кембридж университетінің Монд зертханасында Брайан Пиппардтың екінші курс студенті болды. Сол жылы Джозефсон 1961–1962 оқу жылында демалыста болған Bell Labs қызметкері Филип В. Андерсонмен бірге көп дене теориясы курсын тыңдады. Курс Джозефсонды суперөткізгіштердегі бұзылған симметрия идеясымен таныстырды, және ол "бұзылған симметрия идеясына қызығып, оны тәжірибе жүзінде байқауға бола ма деп ойлады". Джозефсон Ивар Джаевер және Ханс Мейснердің тәжірибелерін, сондай-ақ Роберт Парментердің теориялық жұмыстарын зерттеді. Пиппард бастапқыда туннельдеу эффектісі мүмкін деп ойлады, бірақ оның байқалатын деңгейде тым әлсіз болатынын есептеді, бірақ Джозефсон келіспеді, әсіресе Андерсон оны Коэн, Фаликов және Филлипстің "Суперөткізгіштік туннельдеу" деген препринтімен таныстырғаннан кейін, онда суперөткізгіш кедергі-қалыпты металл жүйесі қарастырылған. Джозефсон мен оның әріптестері бастапқыда Джозефсонның есептеулерінің дұрыстығына толық сенімді болған жоқ. Андерсон кейін есіне алды: "Біз бәріміз – Джозефсон, Пиппард және мен, сондай-ақ Монд зертханасындағы шай ішетін және келесі апталардағы талқылауларға қатысатын басқа да адамдар – ток фазаға тәуелді екендігінің мағынасын түсінуге тырысып, қатты қыңырдық". Олар Джозефсонның нәтижелерін қайта қарастырғаннан кейін, олардың дұрыс екеніне көз жеткізді. Содан кейін Джозефсон 1962 жылдың маусымында "Физикалық хаттарға" ("Physics Letters") "Суперөткізгіштік туннельдеудегі мүмкін жаңа эффектілер" деген мақаласын ұсынды. Жаңа ғылыми журнал "Физикалық хаттар" ("Physics Letters") нәтижелерге қатысты белгісіздік болғандықтан, жақсы орныққан "Физикалық шолу хаттарына" ("Physical Review Letters") қарағанда таңдалды. Джон Бардин, ол кезде Нобель сыйлығының иегері болған, 1962 жылы Джозефсонның теориясына бастапқыда күмәнмен қарады, бірақ одан әрі тәжірибелер мен теориялық түсіндірмелерден кейін оны қабылдады. Сондай-ақ қараңыз: 1963 жылдың қаңтарында Андерсон және оның Bell Labs әріптесі Джон Роуэлл Джозефсон эффектісінің эксперименталды байқалуын талап ететін "Джозефсонның суперөткізгіштік туннельдеу эффектісінің ықтимал байқалуы" деген мақаласын "Физикалық шолу хаттарына" ("Physical Review Letters") тапсырды. Бұл авторларға осы эффектілер бойынша патенттер берілді, бірақ олар ешқашан қолданылмады және дау тудырмады. Джозефсонның болжамына дейін тек бір (яғни жұпталмаған) электрондар кванттық туннельдеу арқылы оқшаулағыш қабат арқылы өте алатыны белгілі болды. Джозефсон суперөткізгіш Купер жұптарының туннельдеуін алғаш болжады. Осы еңбегі үшін Джозефсон 1973 жылы физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Джон Бардин де ұсынушылардың бірі болды.

The DC Josephson effect had been seen in experiments prior to 1962, but had been attributed to "super shorts" or breaches in the insulating barrier leading to the direct conduction of electrons between the superconductors. In 1962, Brian Josephson became interested into superconducting tunneling. He was then 23 years old and a second year graduate student of Brian Pippard at the Mond Laboratory of the University of Cambridge. That year, Josephson took a many body theory course with Philip W. Anderson, a Bell Labs employee on sabbatical leave for the 1961–1962 academic year. The course introduced
Josephson to the idea of broken symmetry in superconductors, and he "was fascinated by the idea of broken symmetry, and wondered whether there could be any way of observing it experimentally". Josephson studied the experiments by Ivar Giaever and Hans Meissner, and theoretical work by Robert Parmenter. Pippard initially believed that the tunneling effect was possible but that it would be too small to be noticeable, but Josephson did not agree, especially after Anderson introduced him to a preprint of "Superconductive Tunneling" by Cohen, Falicov, and Phillips about the superconductor barrier normal metal system. Josephson and his colleagues were initially unsure about the validity of Josephson's calculations. Anderson later remembered:
We were all—Josephson, Pippard and myself, as well as various other people who also habitually sat at the Mond tea and participated in the discussions of the next few weeks—very much puzzled by the meaning of the fact that the current depends on the phase. After further review, they concluded that Josephson's results were valid. Josephson then submitted "Possible new effects in superconductive tunnelling" to Physics Letters in June 1962. The newer journal Physics Letters was chosen instead of the better established Physical Review Letters due to their uncertainty about the results. John Bardeen, by then already Nobel Prize winner, was initially publicly skeptical of Josephson's theory in 1962, but came to accept it after further experiments and theoretical clarifications. See also:
In January 1963, Anderson and his Bell Labs colleague John Rowell submitted the first paper to Physical Review Letters to claim the experimental observation of Josephson's effect "Probable Observation of the Josephson Superconducting Tunneling Effect". These authors were awarded patents on the effects that were never enforced, but never challenged. Before Josephson's prediction, it was only known that single (i. e., non paired) electrons can flow through an insulating barrier, by means of quantum tunneling. Josephson was the first to predict the tunneling of superconducting Cooper pairs. For this work, Josephson received the Nobel Prize in Physics in 1973. John Bardeen was one of the nominators.

Қолданбалар

Джозефсон түйісуінің түрлеріне φ Джозефсон түйісуі (оның ішінде π Джозефсон түйісуі ерекше мысал), ұзақ Джозефсон түйісуі және суперөткізгіш туннельдік түйісу жатады. "Дейем көпірі" – Джозефсон түйісуінің жұқа пленкалық түрі, онда әлсіз байланыс бірнеше микрометр немесе одан да кіші өлшемдердегі суперөткізгіш сымнан тұрады. Құрылғыдағы Джозефсон түйісуінің саны оның күрделілігін бағалау үшін өлшемшарт ретінде қолданылады. Джозефсон эффектісі кең қолданыс тапқан, мысалы, келесі салаларда. SQUID немесе суперөткізгіш кванттық интерференциялық құрылғылары – Джозефсон эффектісі арқылы жұмыс істейтін, өте сезімтал магниттемелер. Олар ғылым мен инженерияда кеңінен қолданылады. Дәлдік метрологиясында Джозефсон эффектісі жиілік пен кернеу арасында дәл қайта жаңартылатын түрлендіруді қамтамасыз етеді. Жиілік цезий стандартымен дәл және практикалық тұрғыдан анықталғандықтан, Джозефсон эффектісі көптеген жағдайларда вольт стандартын, яғни Джозефсон кернеу стандартын беру үшін қолданылады. Жеке электронды транзисторлар көбінесе суперөткізгіш материалдардан жасалады, бұл Джозефсон эффектін пайдаланып жаңа эффекттерге қол жеткізуге мүмкіндік береді. Соның нәтижесінде пайда болған құрылғы "суперөткізгіш жеке электронды транзистор" деп аталады. Джозефсон эффектісі сондай-ақ Джозефсон тұрақтысы және фон Клицинг тұрақтысы арқылы элементар зарядты ең дәл өлшеу үшін қолданылады, ол кванттық Холл эффектісімен байланысты. RSFQ цифрлық электроникасы шунтталған Джозефсон түйісуіне негізделген. Бұл жағдайда түйіспелі коммутация бір магниттік ағым квантын шығарумен байланысты, ол цифрлық ақпаратты тасымалдайды: коммутацияның болмауы 0-ге тең, ал бір коммутация оқиғасы 1-ге тең. Джозефсон түйісулері кванттық есептеуде, мысалы, флюс кубитінде немесе фаза мен зарядтың конъюгат айнымалылар ретінде әрекет ететін басқа схемаларда кванттық биттер ретінде маңызды рөл атқарады. Суперөткізгіш туннельдік түйіспелі детекторлар (STJ) бірнеше жылдан кейін астрономия және астрофизикада қолдануға арналған КҚҚ (күшті зарядтық қосылған құрылғыларға) тиімді балама болуы мүмкін. Бұл құрылғылар ультракүлгін сәуледен инфрақызыл сәулеге дейін және рентген сәулелерінде кең спектрде тиімді. Бұл технология Уильям Гершель телескопында SCAM құралымен сынақтан өтті. Джозефсон эффектісі сондай-ақ тұрақты токпен жұмыс істейтін SQUID-тің сұйық гелийлік кванттық интерференциялық құрылғыларында (SHeQUID) байқалды, бұл тұрақты токпен жұмыс істейтін SQUID-тің сұйық гелийлік аналогы.

Types of Josephson junction include the φ Josephson junction (of which π Josephson junction is a special example), long Josephson junction, and superconducting tunnel junction. A "Dayem bridge" is a thin film variant of the Josephson junction in which the weak link consists of a superconducting wire with dimensions on the scale of a few micrometres or less. The Josephson junction count of a device is used as a benchmark for its complexity. The Josephson effect has found wide usage, for example in the following areas. SQUIDs, or superconducting quantum interference devices, are very sensitive magnetometers that operate via the Josephson effect. They are widely used in science and engineering. In precision metrology, the Josephson effect provides an exactly reproducible conversion between frequency and voltage. Since the frequency is already defined precisely and practically by the caesium standard, the Josephson effect is used, for most practical purposes, to give the standard representation of a volt, the Josephson voltage standard. Single electron transistors are often constructed of superconducting materials, allowing use to be made of the Josephson effect to achieve novel effects. The resulting device is called a "superconducting single electron transistor". The Josephson effect is also used for the most precise measurements of elementary charge in terms of the Josephson constant and von Klitzing constant which is related to the quantum Hall effect. RSFQ digital electronics is based on shunted Josephson junctions. In this case, the junction switching event is associated to the emission of one magnetic flux quantum that carries the digital information: the absence of switching is equivalent to 0, while one switching event carries a 1. Josephson junctions are integral in superconducting quantum computing as qubits such as in a flux qubit or others schemes where the phase and charge act as the conjugate variables. Superconducting tunnel junction detectors (STJs) may become a viable replacement for CCDs (charge coupled devices) for use in astronomy and astrophysics in a few years. These devices are effective across a wide spectrum from ultraviolet to infrared, and also in x rays. The technology has been tried out on the William Herschel Telescope in the SCAM instrument. The Josephson effect has also been observed in superfluid helium quantum interference devices (SHeQUIDs), the superfluid helium analog of a dc SQUID.

DC Джозефсон эффектісі

Джозефсонның тұрақты ток эффектісі – сыртқы электромагниттік өріс болмағанда туннельдеу арқылы изолятордан өтетін бірқалыпты ток. Бұл DC Джозефсон тогы Джозефсон фазасының синусына пропорционалды (изолятордағы фазалық айырма, ол уақыт өте келе өзгермейді) және -тен -ға дейінгі мәндерді қабылдай алады.

AC Джозефсон эффектісі

Тұрақты кернеу қосылым арқылы берілген жағдайда, фаза уақыт бойынша сызықты түрде өзгереді, ал ток амплитудасы және жиілігі бар синусоидты айнымалы ток (AC) болады. Бұл Джозефсон қосылысының кернеуді жиілікке идеал түрлендіргіш ретінде жұмыс істей алатынын көрсетеді.

RCSJ моделі

Резистивті сыйымдылықпен шунтталған түйіспе (RCSJ) моделі, немесе жай ғана шунтталған түйіспе моделі, жоғарыда айтылған екі негізгі Джозефсон қатынастарына қоса, нақты Джозефсон түйіспесінің АЖ кедергісінің әсерін қамтиды. Тевенен теоремасына сәйкес, түйіспенің АЖ кедергісі конденсатормен және шунт резисторымен көрсетілуі мүмкін, екеуі де идеалды Джозефсон түйіспесіне параллель қосылған. Ағынның толық теңдеуі былай болады:

мұндағы бірінші мүше – тиімді сыйымдылығы бар орын ауыстыру тогы, ал үшіншісі – тиімді кедергісі бар қалыпты ток.