パイジョセフソン接合

ジョセフソン接合(JJ) は、障壁 (薄い絶縁トンネル障壁、通常の金属、半導体、強磁性体など) によって分離された 2 つの超伝導電極で構成された量子力学デバイスです。πジョセフソン接合は、ジョセフソン位相φ が基底状態、つまり外部電流や磁場が適用されていないときにπに等しいジョセフソン接合です。

ジョセフソン接合を通る超伝導 電流I _{s は}、一般にI _s = I _c sin( φ ) で表されます。ここで、 φ は 2 つの電極の超伝導波動関数の位相差、つまりジョセフソン位相です。^[1] 臨界電流I _{c は}、ジョセフソン接合を流れることができる最大の超伝導電流です。実験では通常、ジョセフソン接合にいくらかの電流を流し、接合はジョセフソン位相を変化させて反応します。上記の式から、位相φ = arcsin( I / I _c ) であることは明らかです。ここで、Iは印加された (超) 電流です。

位相は 2 π周期的であるため、φとφ  + 2 π n は物理的に等価であり、一般性を失うことなく、以下の議論は 0 ≤ φ  < 2 πの区間を参照します 。

 ジョセフソン接合に電流が流れないとき（I = 0）、つまり接合が切断されているときは、接合は基底状態にあり、接合を横切るジョセフソン位相はゼロ（ φ  = 0）です。位相はφ  =  πになることもあり、この場合も接合に電流は流れません。φ  =  πの状態は不安定で、ジョセフソンエネルギーの最大値に対応し、 φ = 0の状態は ジョセフソンエネルギーの最小値に対応し、基底状態 になります。

場合によっては、臨界電流が負（I _c  < 0）となるジョセフソン接合が得られる。この場合、第一ジョセフソン関係式は次のようになる。

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

このようなジョセフソン接合の基底状態は であり、ジョセフソンエネルギー最小値に対応しますが、従来の状態 φ = 0 は不安定であり、ジョセフソンエネルギー最大値に対応します。基底状態 にあるこのようなジョセフソン接合は、π ジョセフソン接合と呼ばれます。 ${\displaystyle \phi =\pi }$${\displaystyle \phi =\pi }$

πジョセフソン接合には非常に珍しい特性があります。たとえば、超伝導電極をインダクタンスL (超伝導線など) に接続 (短絡) すると、ループ内を自発的に循環する超電流が予想されます。この超電流は自発的で、システムの基底状態に属します。循環の方向はランダムに選択されます。この超電流は、もちろん実験的に検出できる磁場を誘導します。ループを通過する磁束は、インダクタンスLの値に応じて、0 から磁束量子の半分、つまり 0 から Φ ₀ /2 までの値になります 。

• 強磁性ジョセフソン接合。強磁性ジョセフソン障壁を持つジョセフソン接合、すなわち多層構造の超伝導体-強磁性体-超伝導体 (SFS) または超伝導体-絶縁体-強磁性体-超伝導体 (SIFS) について考えてみましょう。このような構造では、F 層内の超伝導秩序パラメータが接合面に対して垂直な方向に振動します。その結果、F 層の特定の厚さと温度では、秩序パラメータが一方の超伝導電極で +1 になり、もう一方の超伝導電極で -1 になることがあります。この状況では、πジョセフソン接合が得られます。F 層内では、異なるソリューションの競合が発生し、エネルギーの低い方が勝つことに注意してください。さまざまな強磁性接合が製造されています。弱い強磁性中間層を持つ SFS 接合、^{[2] Co、Ni、 [3]} PdFe ^[4]および NiFe ^[5]などの強い強磁性中間層を持つ SFS 接合、SIFS 接合。^{[3] [6] [7] [8]}およびS-Fi-S接合。^[9]${\displaystyle \pi }$

• 非従来型の秩序パラメータ対称性を持つジョセフソン接合。新しい超伝導体、特に高温銅酸化物超伝導体は、方向に応じて符号を変えることができる異方性超伝導秩序パラメータを持っています。特に、いわゆる d 波秩序パラメータは、結晶軸aに沿って見ると +1 の値を持ち、結晶軸bに沿って見ると -1 の値を持ちます。ab方向 ( aとbの間は 45° ) に沿って見ると、秩序パラメータは消えます。異なる方向のd波超伝導フィルム間、または d 波と従来の等方性 s 波超伝導体の間にジョセフソン接合を作ることで、 の位相シフトを得ることができます。今日では、 このタイプの πジョセフソン接合の実現がいくつかあります。${\displaystyle \pi }$
  • 三結晶粒界ジョセフソン接合、^[10]
  • 四結晶粒界ジョセフソン接合、^{[11] [12]}
  • d波/s波ランプジグザグジョセフソン接合、^{[13] [14] [15] [16]}
  • 傾斜ねじれ粒界ジョセフソン接合、^[17]
  • p波ベースのジョセフソン接合。
• N層に非平衡電子分布を持つ超伝導体-常伝導金属-超伝導体（SNS）ジョセフソン接合。^[18]
• 超伝導体-量子ドット-超伝導体（S-QuDot-S）ジョセフソン接合（カーボンナノチューブジョセフソン接合によって実装）。^[19]

理論的には、ジョセフソン接合を作成する可能性が最初に議論されたのは、 障壁内で常磁性散乱を伴うジョセフソン接合を検討した Bulaevskii ら [20] でした。ほぼ 10 年後、ジョセフソン接合を持つ可能性は重い^フェルミオン p 波超伝導体の文脈で議論されました。 ^[21]実験的には、最初のジョセフソン接合はイットリウムバリウム銅酸化物(d 波) とPb (s 波) 超伝導体で作られたコーナー接合でした。^[13]強磁性障壁を持つジョセフソン接合の最初の明確な証明は、それからわずか 10 年後に与えられました。^[2]その研究では、銅ニッケル合金 (Cu _x Ni _{1− x}、xは約 0.5) からなる弱い強磁性体を使用し、キュリー温度が超伝導ニオブリードの超伝導遷移温度に近くなるように最適化しました。 ${\displaystyle \pi }$${\displaystyle \pi }$${\displaystyle \pi }$${\displaystyle \pi }$

• ジョセフソン効果
• φジョセフソン接合
• セミフラクソン
• 分数渦
• ブライアン・D・ジョセフソン