ファイジョセフソン接合

φジョセフソン接合（ファイジョセフソン接合と発音）は、ジョセフソン接合の特殊なタイプであり、基底状態ではジョセフソン位相 φ がゼロではない。πの位相に対応する最小エネルギーを持つπ ジョセフソン接合は、その具体的な例である。

ジョセフソンエネルギーは、周期 で周期的に超伝導位相差（ジョセフソン位相）に依存します。したがって、1つの周期、たとえば だけに注目してみましょう 。通常のジョセフソン接合では、依存性はで最小になります。関数 ${\displaystyle U}$${\displaystyle \phi}$${\displaystyle 2\pi }$${\displaystyle -\pi <\phi \leq +\pi }$${\displaystyle U(\phi )}$${\displaystyle \phi =0}$

${\displaystyle U(\phi )={\frac {\Phi _{0}I_{c}}{2\pi }}[1-\cos(\phi )]}$、

ここで、I _cは接合の臨界電流、 は磁束量子であり、従来の の良い例です。 ${\displaystyle \Phi_{0}}$${\displaystyle U(\phi )}$

代わりに、ジョセフソンエネルギーがで最小値（または周期ごとに複数の最小値）を持つ場合、これらの最小値は接合の最低エネルギー状態（基底状態）に対応し、「φ ジョセフソン接合」と呼ばれます。 2 つの例を考えてみましょう。 ${\displaystyle U(\phi )}$${\displaystyle \phi \neq 0}$

まず、各周期内に2つの極小値を持つジョセフソンエネルギーを持つ接合部を考える。ここで、 （となる）は何らかの数である。例えば、これは次の場合である。 ${\displaystyle U(\phi )}$${\displaystyle \phi =\pm \varphi }$${\displaystyle \varphi}$${\displaystyle 0<\varphi <\pi }$

${\displaystyle U(\phi )={\frac {\Phi _{0}}{2\pi }}\left\{I_{c1}[1-\cos(\phi )]+{\frac {1 }{2}}I_{c2}[1-\cos(2\phi )]\right\}}$、

これは電流位相関係に対応する

${\displaystyle I_{s}(\phi )=I_{c1}\sin(\phi )+I_{c2}\sin(2\phi )}$。

I _c1 >0かつI _c2 <-1/2<0の場合、ジョセフソンエネルギーの最小値は で発生します。ただし、 です。このようなジョセフソン接合の基底状態は のため二重に縮退していることに注意してください。 ${\displaystyle \phi =\pm \varphi }$${\displaystyle \varphi =\arccos \left(-2I_{c1}/I_{c2}\right)}$${\displaystyle U(-\varphi )=U(+\varphi )}$

もう一つの例は、ジョセフソンエネルギーが従来のものと似ているが、-軸に沿ってシフトした接合である。例えば、 ${\displaystyle \phi}$${\displaystyle U(\phi )={\frac {\Phi _{0}I_{c}}{2\pi }}[1-\cos(\phi -\varphi _{0})]}$

そして対応する電流位相関係

${\displaystyle I_{s}(\phi )=I_{c}\sin(\phi -\varphi _{0})}$。

この場合、基底状態は縮退していません。 ${\displaystyle \phi =\varphi _{0}}$

上記の 2 つの例は、φ ジョセフソン接合のジョセフソンエネルギープロファイルがかなり異なり、その結果、異なる物理的特性が生じる可能性があることを示しています。多くの場合、どのタイプの電流位相関係を意味しているかを区別するために、研究者は異なる名前を使用しています。現時点では、広く受け入れられている用語はありません。ただし、一部の研究者は A. Buzdin にちなんで次の用語を使用しています。^[1]上記の最初の例に似た二重縮退基底状態を持つジョセフソン接合は、確かに φ ジョセフソン接合と呼ばれ、上記の 2 番目の例に似た非縮退基底状態を持つ接合は、ジョセフソン接合と呼ばれます。 ${\displaystyle \phi =\pm \varphi }$${\displaystyle \varphi_{0}}$

^{φ接合の挙動（縮退した基底状態[2]}または臨界電流の非従来的な温度依存性^[3] ）の最初の兆候は、21世紀初頭に報告されました。これらの接合はd波超伝導体で作られました。

制御可能なφ接合の最初の実験的実現は、2012年9月にテュービンゲン大学のエドワード・ゴールドビンのグループによって報告されました。^[4]これは、1つの超伝導-絶縁体-強磁性-超伝導ハイブリッドデバイス内の0セグメントとπセグメントの組み合わせに基づいており、2つの接合状態に対応する2つの臨界電流を明確に示しています。（無限に）多数の0セグメントとπセグメントからφジョセフソン接合を構築するという提案は、R.ミンツと共著者による研究^{[5] [6]}に登場しましたが、当時はφ接合という用語はありませんでした。φジョセフソン接合という言葉が初めて登場したのは、同様のアイデアを持つブズディンとコシェレフの研究^[1]でした。このアイデアに続いて、2つの0セグメントとπセグメントのみの組み合わせを使用することがさらに提案されました。^[7]${\displaystyle \phi =\pm \varphi }$

2016年、デルフト工科大学のレオ・コウウェンホーフェンのグループがナノワイヤ量子ドットに基づく接合を報告した。InSbナノワイヤは強力なスピン軌道結合を持ち、磁場を印加することでゼーマン効果が生じる。この組み合わせにより反転対称性と時間反転対称性の両方が破れ、位相差ゼロで有限電流が生じる。^[8]${\displaystyle \varphi_{0}}$

理論的に提案されている他の実現方法としては、幾何学的φ接合がある。ナノ構造のd波超伝導体に基づいて、いわゆる幾何学的φ接合を構築できるという理論的予測がある。^[9] 2013年現在、これは実験的に実証されていない。

• 2 つの臨界電流は、ジョセフソン ポテンシャルの 2 つの異なる井戸からの位相の脱出 (デピンニング) に関連しています。最低の臨界電流は、低減衰 (低温) でのみ実験的に確認できます。臨界電流の測定は、φ 接合の (未知の) 状態 (+φ または -φ) を決定するために使用できます。
• 0 セグメントと π セグメントから構成される φ 接合の場合、磁場を使用して、ジョセフソン エネルギー プロファイルの非対称性を、最小値の 1 つが消えるまで変更できます。これにより、目的の状態 (+φ または -φ) を準備できます。また、非対称周期ジョセフソン エネルギー ポテンシャルを使用して、ラチェットのようなデバイスを構築できます。
• 長い φ 接合部は、特殊なタイプのソリトン解、すなわち2 種類の分裂した渦^[10]を可能にします。1 つは磁束Φ ₁ <Φ ₀を運び、もう 1 つは磁束Φ ₂ =Φ ₀ −Φ ₁を運びます。ここでΦ ₀は磁束量子です。これらの渦は二重サインゴードン方程式のソリトンです。^[11]これらは d 波粒界接合部で観測されました。^[6]

• π ジョセフソン接合と同様に、φ 接合は位相バッテリーとして使用できます。
• 2 つの安定状態 +φ と -φ は、デジタル情報を格納するために使用できます。目的の状態を書き込むには、磁場を適用してエネルギー最小値の 1 つを消滅させ、位相が残りの 1 つに移動する選択肢がないようにすることができます。φ 接合の未知の状態を読み出すには、2 つの臨界電流の間の値を持つバイアス電流を適用します。φ 接合が電圧状態に切り替わる場合、その状態は -φ であり、そうでない場合は +φ です。φ 接合をメモリ セル (1 ビット) として使用することはすでに実証されています。^[12]
• 量子領域では、φ 接合は 2 レベル システム (量子ビット) として使用できます。

• セミフラクソン
• 分数渦