Unión Pi Josephson

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Una unión de Josephson es un dispositivo de mecánica cuántica que está hecho de dos electrodos superconductores separados por una barrera (barrera de túnel aislante delgada, metal normal, semiconductor, ferromagnet, etc.). Una unión de Josephson π es una unión de Josephson en la que la fase de Josephson φ es igual a π en el estado fundamental, es decir, cuando no se aplica corriente externa o campo magnético .

Fondo

La supercorriente I _{s a} través de una unión de Josephson (JJ) está dada generalmente por I _s = I _c sen ( φ ), donde φ es la diferencia de fase de las funciones de onda superconductoras de los dos electrodos, es decir, la fase de Josephson . ^[1] La corriente crítica I _c es la máxima supercorriente que puede existir a través de la unión de Josephson. En el experimento, uno generalmente causa algo de corriente a través de la unión de Josephson y la unión reacciona cambiando la fase de Josephson. De la fórmula anterior queda claro que la fase φ = arcsin ( I /I _c ), donde I es la (super) corriente aplicada.

Dado que la fase es 2 π -periódica, es decir, φ y φ  + 2 π n son físicamente equivalentes, sin perder la generalidad, la discusión a continuación se refiere al intervalo 0 ≤  φ  <2 π .

Cuando no existe corriente ( I  = 0) a través de la unión Josephson, por ejemplo, cuando la unión está desconectada, la unión está en el estado fundamental y la fase Josephson a través de ella es cero ( φ  = 0). La fase también puede ser φ  =  π , lo que también da como resultado que no haya corriente a través de la unión. Resulta que el estado con φ  =  π es inestable y corresponde al máximo de energía de Josephson , mientras que el estado φ  = 0 corresponde al mínimo de energía de Josephson y es un estado fundamental.

En ciertos casos, se puede obtener una unión de Josephson donde la corriente crítica es negativa ( I _c  <0). En este caso, la primera relación de Josephson se convierte en

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

El estado fundamental de tal unión de Josephson es y corresponde al mínimo de energía de Josephson , mientras que el estado convencional φ = 0 es inestable y corresponde al máximo de energía de Josephson . Una unión de Josephson de este tipo en el estado fundamental se denomina  unión π Josephson .${\displaystyle \phi =\pi }$${\displaystyle \phi =\pi }$

π Las uniones de Josephson tienen propiedades bastante inusuales. Por ejemplo, si uno conecta (cortocircuita) los electrodos superconductores con la inductancia L (por ejemplo, alambre superconductor), se puede esperar que la supercorriente espontánea circule en el bucle, pase a través de la unión y a través de la inductancia en sentido horario o antihorario. Esta supercorriente es espontánea y pertenece al estado fundamental del sistema. La dirección de su circulación se elige al azar. Esta supercorriente inducirá, por supuesto, un campo magnético que puede detectarse experimentalmente. El flujo magnético que pasa a través del bucle tendrá el valor de 0 a un medio de cuantos de flujo magnético , es decir, de 0 a Φ ₀ /2, dependiendo del valor de la inductancia  L .

Tecnologías y principios físicos

• Uniones ferromagnéticas de Josephson . Considere una unión Josephson con una barrera de Josephson ferromagnético, es decir, las multicapas S uperconductor- F erromagnet- S uperconductor (SFS) o S uperconductor- I nsulator- F erromagnet- S uperconductor (SIFS). En tales estructuras, el parámetro de orden superconductor dentro de la capa F oscila en la dirección perpendicular al plano de unión. Como resultado, para ciertos espesores de la capa F y temperaturas, el parámetro de orden puede convertirse en +1 en un electrodo superconductor y -1 en el otro electrodo superconductor. En esta situación se obtiene un πCruce de Josephson. Tenga en cuenta que dentro de la capa F tiene lugar la competencia de diferentes soluciones y gana la de menor energía. Se han fabricado varias uniones ferromagnéticas : uniones SFS con capas intermedias ferromagnéticas débiles; ^[2] Uniones SFS con fuertes intercapas ferromagnéticas, como Co, Ni, ^[3] PdFe ^[4] y NiFe ^[5] Uniones SIFS; ^{[3] [6] [7] [8]} y uniones S-Fi-S. ^[9]${\displaystyle \pi }$

• Uniones de Josephson con simetría de parámetros de orden no convencional . Los superconductores novedosos, en particular los superconductores de cuprato de alta temperatura, tienen un parámetro de orden superconductor anisotrópico que puede cambiar su signo dependiendo de la dirección. En particular, un parámetro llamado orden de onda d tiene un valor de 1 si uno mira a lo largo del cristal de eje una y -1 si uno mira a lo largo del eje de cristal b . Si uno mira a lo largo del ab dirección (45 ° entre una y b ) los Vanishes parámetro de orden. Al hacer uniones Josephson entre películas superconductoras de onda d con diferentes orientaciones o entre superconductores de onda d y onda s isotrópica convencionales, se puede obtener un cambio de fase de${\displaystyle \pi }$. Hoy en día hay varias realizaciones de  uniones π Josephson de este tipo:
  • uniones Josephson de límite de grano de tres cristales, ^[10]
  • uniones Josephson de límite de grano tetracristalino, ^{[11] [12]}
  • rampa de onda d / onda s en zigzag JJs uniones Josephson, ^{[13] [14] [15] [16]}
  • uniones Josephson de límite de grano de tilt-twist, ^[17]
  • Uniones Josephson basadas en ondas p.
• S uperconductor- N ormalMetal- S uperconductor (SNS) Uniones Josephson con distribución de electrones sin equilibrio en la capa N. ^[18]
• Superconductor - punto cuántico - superconductor (S-QuDot-S) uniones Josephson (implementadas por uniones Josephson de nanotubos de carbono ). ^[19]

Desarrollos historicos

En teoría, la primera vez que Bulaevskii et al. Discutieron la posibilidad de crear una unión de Josephson . , ^[20] que consideró una unión de Josephson con dispersión paramagnética en la barrera. Casi una década después, se discutió la posibilidad de tener una unión de Josephson en el contexto de superconductores de ondas p de fermiones pesados. ^[21] Experimentalmente, la primera unión de Josephson fue una unión de esquina hecha de óxido de cobre, bario ytrio (onda d) y superconductores Pb (onda s). ^[13] La primera prueba inequívoca de una unión de Josephson con una barrera ferromagnética se dio solo una década después. ^[2]${\displaystyle \pi }$${\displaystyle \pi }$${\displaystyle \pi }$${\displaystyle \pi }$Ese trabajo usó un ferromagnético débil que consistía en una aleación de cobre y níquel (Cu _x Ni _{1− x} , con x alrededor de 0.5) y lo optimizó para que la temperatura de Curie estuviera cerca de la temperatura de transición superconductora de los cables superconductores de niobio .

Ver también

• Efecto Josephson
• φ Cruce de Josephson
• Semifluxon
• Vórtices fraccionales
• Brian D. Josephson

Referencias

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