La unión de túnel superconductor ( STJ ), también conocida como unión de túnel superconductor-aislante-superconductor ( SIS ), es un dispositivo electrónico que consta de dos superconductores separados por una capa muy delgada de material aislante . La corriente pasa a través de la unión a través del proceso de tunelización cuántica . El STJ es un tipo de unión de Josephson , aunque el efecto Josephson no describe todas las propiedades del STJ.
Estos dispositivos tienen una amplia gama de aplicaciones, incluidos detectores de radiación electromagnética de alta sensibilidad , magnetómetros , elementos de circuitos digitales de alta velocidad y circuitos de computación cuántica .
Túneles cuánticos
Todas las corrientes que fluyen a través del STJ pasan a través de la capa aislante a través del proceso de tunelización cuántica . Hay dos componentes en la corriente de tunelización. El primero es de los túneles de pares de Cooper . Esta supercorriente es descrita por las relaciones de Josephson ac y dc , predichas por primera vez por Brian David Josephson en 1962. [1] Por esta predicción, Josephson recibió el premio Nobel de física en 1973. La segunda es la corriente de cuasipartículas , que, en el límite de temperatura cero, surge cuando la energía del voltaje de polarizaciónexcede el doble del valor de la brecha de energía superconductora Δ. A una temperatura finita, una pequeña corriente de túnel de cuasipartículas, llamada corriente subgap, está presente incluso para voltajes inferiores al doble del espacio de energía debido a la promoción térmica de las cuasipartículas por encima del espacio.
Si el STJ se irradia con fotones de frecuencia, la curva de corriente-voltaje de CC exhibirá tanto los pasos de Shapiro como los pasos debido a la tunelización asistida por fotones. Los pasos de Shapiro surgen de la respuesta de la supercorriente y ocurren a voltajes iguales a, dónde es la constante de Planck ,es la carga del electrón , yes un número entero . [2] La tunelización asistida por fotones surge de la respuesta de las cuasipartículas y da lugar a pasos desplazados en voltaje porrelativo al voltaje de la brecha. [3]
Fabricación de dispositivos
El dispositivo se fabrica típicamente depositando primero una película delgada de un metal superconductor como el aluminio sobre un sustrato aislante como el silicio . La deposición se realiza dentro de una cámara de vacío . Luego se introduce gas oxígeno en la cámara, lo que da como resultado la formación de una capa aislante de óxido de aluminio () con un espesor típico de varios nanómetros . Una vez que se restablece el vacío, se deposita una capa superpuesta de metal superconductor, completando el STJ. Para crear una región de superposición bien definida, se suele utilizar un procedimiento conocido como técnica de Niemeyer-Dolan . Esta técnica utiliza un puente suspendido de resistir con una deposición de doble ángulo para definir la unión.
El aluminio se usa ampliamente para hacer uniones de túneles superconductores debido a su capacidad única de formar una capa de óxido aislante muy delgada (2-3 nm) sin defectos que provoquen un cortocircuito en la capa aislante. La temperatura crítica superconductora del aluminio es de aproximadamente 1,2 kelvin (K). Para muchas aplicaciones, es conveniente tener un dispositivo que sea superconductor a una temperatura más alta, en particular a una temperatura por encima del punto de ebullición del helio líquido , que es de 4,2 K a presión atmosférica. Un enfoque para lograr esto es utilizar niobio , que tiene una temperatura crítica superconductora en forma global de 9,3 K. Sin embargo, el niobio no forma un óxido que sea adecuado para hacer uniones de túnel. Para formar un óxido aislante, la primera capa de niobio se puede recubrir con una capa muy delgada (aproximadamente 5 nm) de aluminio, que luego se oxida para formar una barrera de túnel de óxido de aluminio de alta calidad antes de que se deposite la capa final de niobio. La capa delgada de aluminio se proximitized por el niobio más grueso, y el dispositivo resultante tiene una temperatura crítica de superconducción de arriba 4,2 K. [4] Los primeros trabajos utiliza plomo uniones de óxido de plomo -Plomo túnel. [5] El plomo tiene una temperatura crítica superconductora de 7,2 K a granel, pero el óxido de plomo tiende a desarrollar defectos (a veces llamados defectos por orificios) que provocan un cortocircuito en la barrera del túnel cuando el dispositivo se cicla térmicamente entre las temperaturas criogénicas y la temperatura ambiente, y como resultado, el plomo ya no se usa ampliamente para fabricar STJ.
Aplicaciones
Astronomía radial
Los STJ son los receptores heterodinos más sensibles en el rango de frecuencia de 100 GHz a 1000 GHz y, por lo tanto, se utilizan para radioastronomía en estas frecuencias. [6] En esta aplicación, el STJ está polarizado en CC a un voltaje justo por debajo del voltaje de separación (). Una señal de alta frecuencia de un objeto astronómico de interés se enfoca en el STJ, junto con una fuente de oscilador local . Los fotones absorbidos por el STJ permiten que las cuasipartículas formen un túnel a través del proceso de túnel asistido por fotones. Este túnel asistido por fotones cambia la curva corriente-voltaje, creando una no linealidad que produce una salida a la frecuencia de diferencia de la señal astronómica y el oscilador local. Esta salida es una versión de frecuencia reducida de la señal astronómica. [7] Estos receptores son tan sensibles que una descripción precisa del rendimiento del dispositivo debe tener en cuenta los efectos del ruido cuántico . [8]
Detección de fotón único
Además de la detección de heterodinos , los STJ también se pueden utilizar como detectores directos. En esta aplicación, el STJ está polarizado con un voltaje de CC menor que el voltaje de separación. Un fotón absorbido en el superconductor rompe los pares de Cooper y crea cuasipartículas . Las cuasipartículas hacen un túnel a través de la unión en la dirección del voltaje aplicado, y la corriente de túnel resultante es proporcional a la energía del fotón. Los dispositivos STJ se han empleado como detectores de fotón único para frecuencias de fotones que van desde los rayos X al infrarrojo . [9]
CALAMAR
El dispositivo superconductor de interferencia cuántica o SQUID se basa en un bucle superconductor que contiene uniones de Josephson. Los SQUID son los magnetómetros más sensibles del mundo , capaces de medir un único cuanto de flujo magnético .
Computación cuántica
La computación cuántica superconductora utiliza circuitos basados en STJ, incluidos qubits de carga , qubits de flujo y qubits de fase .
RSFQ
El STJ es el elemento activo principal en los circuitos de lógica rápida cuántica rápida de flujo único o RSFQ . [10]
Estándar de voltaje de Josephson
Cuando se aplica una corriente de alta frecuencia a una unión Josephson, la corriente ac Josephson se sincronizará con la frecuencia aplicada dando lugar a regiones de voltaje constante en la curva IV del dispositivo (pasos de Shapiro). Para el propósito de los estándares de voltaje, estos pasos ocurren en los voltajes dónde es un entero, es la frecuencia aplicada y la constante de Josephson es una constante definida internacionalmente esencialmente igual a . Estos pasos proporcionan una conversión exacta de frecuencia a voltaje. Debido a que la frecuencia se puede medir con una precisión muy alta, este efecto se utiliza como base del estándar de voltaje de Josephson, que implementa la definición internacional del voltio " convencional ". [11] [12]
Ver también
- Superconductividad
- Efecto Josephson
- Fenómenos cuánticos macroscópicos
- Túneles cuánticos
- Dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID)
- Computación cuántica superconductora
- Quantum de flujo único rápido (RSFQ)
- Detectores de partículas criogénicas
Referencias
- ^ BD Josephson, "Posibles nuevos efectos en túneles superconductores", Physics Letters 1 , 251 (1962), doi : 10.1016 / 0031-9163 (62) 91369-0
- ^ S. Shapiro, "corrientes de Josephson en tunelización superconductora: el efecto de las microondas y otras observaciones" Physical Review Letters 11 , 80 (1963), doi : 10.1103 / PhysRevLett.11.80
- ^ M. Tinkham, Introducción a la superconductividad , 2da edición, Publicaciones de Dover, 1996
- ^ AA Joseph, J. Sese, J. Flokstra y HG Kerkhoff, "Pruebas estructurales del proceso de niobio HYPRES", transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada , 15 , 106 (2005), doi : 10.1109 / TASC.2005.849705
- ^ GJ Dolan, TG Phillips y DP Woody, "Mezcla de 115 GHz de bajo ruido en uniones de túnel de barrera de óxido superconductora", Applied Physics Letters 34 , 347 (1979), doi : 10.1063 / 1.90783
- ^ J. Zmuidzinas y PL Richards, "Detectores y mezcladores superconductores para astrofísica milimétrica y submilimétrica", Actas de la IEEE 92 , 1597 (2004), doi : 10.1109 / JPROC.2004.833670
- ^ MJ Wengler, "Detección de ondas submilimétricas con diodos de túnel superconductores", Actas del IEEE 80 , 1810 (1992), doi : 10.1109 / 5.175257
- ^ JR Tucker, "Detección limitada cuántica en mezcladores de unión de túnel", IEEE Journal of Quantum Electronics 15 , 1234 (1979), doi : 10.1109 / JQE.1979.1069931
- ^ Detectores STJ de la Agencia Espacial Europea , consultado el 17 de agosto de 2011
- ^ KK Likharev y VK Semenov, "Familia de lógica / memoria RSFQ: una nueva tecnología de unión Josephson para sistemas digitales de frecuencia de reloj de sub-terahercios", Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada 1 , 3 (1991) doi : 10.1109 / 77.80745
- ^ CA Hamilton, RL Kautz, RL Steiner y FL Lloyd, "Un estándar de voltaje práctico de Josephson a 1 V", IEEE Electron Device Letters 6 , 623 (1985), doi : 10.1109 / EDL.1985.26253
- ^ Metrología cuántica de voltaje en NIST , consultado el 5/11/11