聚酰亚胺在MgB2约瑟夫森结制备中的应用

MgB_2超导材料由于其优异的超导性能和电学参数,是制作超导集成电路的理想材料之一。制备基于MgB_2超导薄膜的高质量约瑟夫森结是超导电子学应用的关键。以聚酰亚胺(PI)为抗蚀层,在MgB_2超导薄膜上实现微米量级的图形线条制作,以此工艺为基础,结合MgB_2超导薄膜的气相化学沉积和晶型B介质层沉积方法,制作了基于MgB_2超导材料的约瑟夫森纵向结阵列,并测试了相应结的约瑟夫森效应。     

基于拓扑绝缘体纳米线约瑟夫森结的反常临界超流增强和半整数夏皮洛台阶

基于拓扑绝缘体材料的约瑟夫森结是寻找马约拉纳零能模的候选器件,因而受到拓扑量子计算研究领域的关注.这方面实验的关键之一,是制备具有优质结区的约瑟夫森器件.本工作在三维拓扑绝缘体Bi₂Te₃和Bi₂(Se_xTe_1-x)₃纳米线上制作了约瑟夫森结器件,研究了其结区的超导邻近效应、多重安德列夫反射和超流-相位关系,观测到了约瑟夫森结的临界超流随磁场增大而反常地增大、其交流约瑟夫森效应出现半整数的夏皮洛台阶的实验结果.本文还讨论了这些反常现象的可能来源,特别是与结区界面处超导电极的Ti缓冲层和拓扑绝缘体纳米线中的Te元素形成TiTe铁磁性合金层的关系.     

超导约瑟夫森结在外光场下的数-相压缩效应

以约瑟夫森结为主要元件的量子计算机有广阔的应用前景.本文用纠缠态表象对超导约瑟夫森结进行研究,不但可以展现约瑟夫森结的隧穿电流,还能给出库珀对数-相的不确定关系.此基础上,探讨在外光场作用下约瑟夫森结的数-相压缩效应,即约瑟夫森结中的位相和库珀对数目的变化.同时推导出外光场作用下约瑟夫森结中的超导电流以及库珀对数-相所满足的不确定关系.     

高温超导太赫兹辐射源与检测器

利用超导约瑟夫森器件中的约瑟夫森效应,超导材料可用于制备太赫兹辐射源和高灵敏的检测器。由于高温超导材料的能隙较高,因此用高温超导材料制备的太赫兹辐射源与检测器具有工作频率广、工作温度高等优点。文章将简要介绍南京大学超导电子学研究所在高温超导双晶晶界约瑟夫森结检测器和高温超导本征约瑟夫森结太赫兹辐射源等方面的工作进展。     

超导微电子学

本文巧妙地借助于摆的类比对超导微电子学的基础──约瑟夫森效应作了描述和说明．在此基础上讨论了单约瑟夫森结以及超导量子干涉器件的工作原理和应用，论述了超导微电子器件在灵敏度和速度上的巨大优越性及其在制作超高速超导计算机方面的应用前景．     

超导约瑟夫森结物理参数的实验推算

超导约瑟夫森结是实现超导量子计算和微波单光子探测的核心器件,其物理参数很难直接测定.与之前常用的测量结微波激励效应估计方法不同,本文通过实验测量低频电流驱动下的约瑟夫森结Ⅰ-Ⅴ曲线及其跳变电流统计分布,并与基于标准电阻电容分路结模型数值模拟进行比对,推算出了约瑟夫森结的临界电流I_c、电容C、电阻R及阻尼参数β_c等物理参数.结果表明,所推算的参数值与基于微观理论推导所得到的Ambgaokar-Baratoff公式基本符合,可供约瑟夫森结的器件参数按需设计和制备工艺的参数设置等参考.     

相位与约瑟夫森效应及其在超导中的应用

 许多物理效应(如多普勒效应,约瑟夫森效应、ＡＢ效应、干涉效应、量子霍尔效应)都与相位紧密相关,且相位的物理效应已在很多领域中得到了验证和应用。本文就相位与约瑟夫森效应及其在超导现象中的应用进行分析和讨论。一、约瑟夫森效应当两块超导体之间所夹绝缘层的厚度很薄(10-7ｃｍ左右)时,两超导体中的电子对会因隧道效应而耦合,电子对将从一块超导体进入另一超导体,形成超导(隧导)电流,而两超导区的电子对波函数具有确定的相位关系,这种现象称为约瑟夫森效应。1962年约瑟夫森研究了两块超导体被一层薄绝缘层分开的Ｓ-Ｉ-Ｓ结,即超导的隧道结,从理论上预言将会有以下的物理效应。     

Al/Al_2O_3/Al隧道结相位扩散的现象

超导约瑟夫森结是超导量子比特的核心元件,由约瑟夫森结组成的直流超导量子干涉器(DC-SQUID)由于其具有较高的探磁灵敏度,在超导磁通量子比特量子位测量中具有重要的作用.我们用铝为超导材料,采用电子束斜蒸发及静态氧化的方法制备了由两个Al/Al2O3/Al隧道结并联组成的DC-SQUID样品.将DC-SQUID样品置于20~1000mK范围内的不同温度下,对其跳变电流分布进行了测量.在50mK明显观测到了隧道结跳变电流机制由宏观量子隧穿到热激发的转变,并且在高于80mK时,观测到了相位扩散的现象.这对于隧道结相位动力学研究具有重要意义.     

一种通过约瑟夫森结非线性频率响应确定微波耗散的方法

通过对电流偏置超导约瑟夫森结的微波驱动行为的研究,提出了一个确定约瑟夫森结微波耗散的方法.结的微波耗散由它的品质因子描述.微波耗散严重影响约瑟夫森器件如参量放大器、超导量子比特等的性能.对电流偏置的约瑟夫森结势阱采用四阶近似后,可以得到在较强微波驱动下约瑟夫森结非线性微波响应方程.该方程定量描述了非线性共振频率随外加微波功率变化关系:非线性共振频率与结等离子频率的差别依赖于约瑟夫森结的微波品质因子.对电流偏置的约瑟夫森结的微波运动行为进行了数值模拟.模拟结果确证了微波品质因子与非线性共振频率-等离子频率差别的定量关系可以应用于约瑟夫森结中.用这种非线性频率响应方法来确定约瑟夫森结的微波耗散没有严格的温度要求,可在单个电流偏置的结中完成,实验上具有简单可靠性.     

约瑟夫森效应

在物理学中,提出新的理论必须经过实验的验证才被公认,同时,科学理论对科学实验又有能动的指导作用。实验和理论研究的这种相互依赖的辩证关系,在约瑟夫森效应的予言和实验证实中表现得极为鲜明。下面简略介绍约瑟夫森效应发现的历史情况。一、约瑟夫森和他予言的效应约瑟夫森效应是在两块超导体之间存在弱耦合时发生超导电流的现象,又称作超导隧道效应。这个效应是1962年由英国剑桥大学的研究生B.D.Josephson(约瑟夫森)所予言,并在以后几年里,由实验证实了这种效应。因此,约瑟夫森与贾埃弗(I.Giaever)、江琦     

从金属原子气样本上观察到约瑟夫森效应

1962年由B·D·约瑟夫森首先在理论上预言了电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应，这个预言在一年之后得到了实验上的证实．为表彰约瑟夫森的理论预言，1973年授予他诺贝尔物理学奖，由此普遍称为约瑟夫森效应．该效应的内容得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学科——超导电子学．两块超导体夹一层厚度适当的薄绝缘材料的组合称S-I-S超导隧道结或约瑟夫森结．约瑟夫森效应分为两种：     

高温超导量子干涉器中的约瑟夫森结

超导量子干涉器(SQUID)是以约瑟夫森结为核心元件的极其灵敏的磁通-电压转换器.在最近20年间,超导电子学界利用多种铜氧化物高温超导材料,制造出了高温超导约瑟夫森结乃至高温超导量子干涉器(高TcSQUID);特别是,利用YBa2Cu3O7-δ(YBCO)制出了多种高温超导约瑟夫森结,并进而制成了具有一定实用性的高TcSQUID.文章主要是对高TcSQUID中所使用的高温超导约瑟夫森结进行评述.     

高临界电流密度NbN约瑟夫森结的制备和特性表征

我们开展了高临界电流密度的NbN约瑟夫森结的制备和特性研究.利用直流磁控溅射方法在单晶MgO(100)衬底上外延生长NbN/AlN/NbN三层膜,并使用微加工工艺制备了NbN约瑟夫森隧道结,在液氦温度下对NbN约瑟夫森结的电流-电压特性进行了测量,实验结果表明,NbN约瑟夫森结具有良好的隧穿特性,其临界电流密度J_c为10 kA/cm^2,质量因子大于10,能隙是5.7 mV,这些实验结果为基于NbN结的超导数字电路研究奠定了坚实的基础.     

噪声对超导量子比特测量系统的影响

详细介绍了噪声对超导量子比特测量系统的影响。测量系统通过对时间的测量来获得单个约瑟夫森结跳变电流统计分布P(I)。在测量电路中采取了一系列的降噪措施,使得实验所能测到的约瑟夫森结的最低等效温度进一步的降低。     

MgO衬底上YBa2Cu3O7-δ台阶边沿型约瑟夫森结的制备及特性

MgO衬底上的YBa2Cu3O7-δ(YBCO)台阶边沿型约瑟夫森结(台阶结)在高灵敏度高温超导量子干涉器(superconducting quantum interference device,SQUID)等超导器件研制方面具有重要的应用价值和前景.本文对此类YBCO台阶结的制备和特性进行了研究.首先利用离子束刻蚀技术和两步刻蚀法在MgO(100)衬底上制备陡度合适、边沿整齐的台阶,然后利用脉冲激光沉积法在衬底上生长YBCO超导薄膜,进而利用紫外光刻制备出YBCO台阶结.在结样品的电阻-温度转变曲线中,观测到低于超导转变温度时的电阻拖尾现象,与约瑟夫森结的热激活相位滑移理论一致.伏安特性曲线测量表明结的行为符合电阻分路结模型,在超导转变温度TC附近结的约瑟夫森临界电流密度TC随温度T呈现出(TC-T)^2的变化规律,77 K时JC值为1.4×10^5 A/cm^2.利用制备的台阶结,初步制备了YBCO射频高温超导SQUID,器件测试观察到良好的三角波电压调制曲线,温度77 K、频率1 kHz时的磁通噪声为250μΦ0/Hz^1/2.本文结果为进一步利用MgO衬底YBCO台阶结研制高性能的高温超导SQUID等超导器件奠定了基础.     

转角铜氧化物中的约瑟夫森效应

当前常压下超导转变温度最高的材料仍然来自铜氧化物家族.然而,铜氧化物超导的微观机理仍未被完全建立起来,成为了凝聚态物理领域最具挑战性的问题之一.测定配对波函数的相位部分是全面理解高温超导机理不可或缺的一环.该实验往往需要将不同晶向的铜氧化物拼接成高质量的约瑟夫森结,十分考验样品的合成制备技术.近年来,利用二维材料中发展起来的范德瓦耳斯堆垛技术,研究者们构建了具有原子级平整界面的转角铜氧化物双晶结,研究了不同掺杂浓度、不同转角下的约瑟夫森隧穿,探索了其中出现s波、d波、以及由于界面耦合演生出的d+id波配对的可能性.本文将回顾转角铜氧化物约瑟夫森结的研究进展,介绍近年来发展起来的转角结制备技术,讨论当前实验测量的结果及其意义,提出尚待解决的关键性问题.     

无序二维约瑟夫森结阵列中磁场引起的涡旋玻璃态相变

采用电阻阻错结的无序二维约瑟夫森结阵列模型,数值研究超导薄膜中垂直磁场引起的涡旋运动.通过分析磁场激发产生的涡旋度Ne及低频电压噪声S₀的变化特性,得到如下结论：在无序超导体中固定温度不变,随着磁场的减弱涡旋液态经过准有序的布拉格相,涡旋玻璃相重新进入到低磁场下的钉扎稀磁液相. 由于在涡旋玻璃相中,电流驱动下的噪声值表现出一个峰,表明系统处于无序与有序相互竞争的亚稳态,并且临界电流应有峰值效应. 计算得到噪声值的变化与Okuma等得到的无序超导Mo_xSi_1-x膜实验现象一致,并能解释磁场降低引起的重新进入钉扎的稀磁液相行为. 关键词： 约瑟夫森结阵列 磁通玻璃 重新进入 峰值效应     

串联SQUID和不同圈数Washer输入线圈SQUID的制备与表征（英文）

超导量子干涉放大器常被用于读出微弱的磁通以及电流信号,可以将微弱信号转化成为大的电压信号.但是对于单个超导量子干涉放大器而言,其输出电压太小不能直接与室温放大器相连,我们考虑将相同参数的超导量子干涉放大器串联到一起,使其输出电压足够大并达到可直接与室温放大器连接的要求.我们已经制备并测试了约瑟夫森结,过阻尼约瑟夫森结,不同输入线圈的单个超导量子干涉放大器以及既有调制线圈又有反馈线圈的串联超导量子干涉放大器,获得了较好的伏安特性曲线,调制曲线以及将调制曲线进行傅里叶变换后的幅频特性曲线.通过分析约瑟夫森结的伏安特性曲线可知我们的制备工艺流程比较稳定.制备与测试超导量子干涉放大器对于以后将其应用于读出微弱信号领域具有重要的意义.     

二维约瑟夫森结阵列中的相变及噪声频谱研究

采用电阻分路(RSJ)模型，运用数值计算方法研究二维约瑟夫森结阵列的涡旋度,涡旋密度涨落随温度的变化，表明了超导阵列中存在KTB型相变.还研究了相变点附近的涡旋噪声频谱随温度、驱动电流变化的特性.计算结果与最近实验报导定性一致，并能用涡旋的运动图像来解释噪声频谱的变化规律. 关键词： 高温超导 噪声频谱 约瑟夫森结阵列 KTB相变     

约瑟夫森效应

某些物体中的电子在低温厂能以晶格振动为媒介,形成束缚电子对,使该物体处于超导态。1962年英国人约瑟夫森(当时21岁,剑桥大学实验物理一年级研究生)从理论上预言,如果超导体——氧化物——超导体结(后来称为约瑟夫森结)的氧化物层很薄(～10—20　),氧化物双方的超导体仍有弱的连接,束缚电子对仍然能穿过氧化层[1]。后来这一现象称为直流约瑟夫森效应。当时包括近代超导理论创始人 Bardeen在内的许多人对约瑟夫森的预言都表示怀疑,直到1964年实验证实后才被接受。 结和电磁场相互作用时出现的一些现象称为交流约瑟夫森效应,如果在结的氧化…