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。     

＂磁约瑟夫森效应＂的首次观察

两块超导体,中间用极薄的氧化层（绝缘层）隔开,便构成了所谓的“超导隧道结”．按照量子物理,超导库珀对应该有机会穿透氧化层的壁垒．这样,绝缘层看起来也是超导的——虽然有电流流过,但在绝缘层的两端却测不到电压．1962年,年仅22岁的英国剑桥大学研究生约瑟夫森（B．D．Josephson）,通过认真的理论推演,预言了上述隧道效应的存在．在以后的数年中,这个预言连同一系列相关的预言（统称为约瑟夫森效应）,作为量子力学在宏观世界同样适用的例证,均在实验中被证实,约瑟夫森因此获得了1973年度诺贝尔物理奖．     

非传统超导体间的约瑟夫森隧道效应

本将用于液氦和Ｓ波超的准离子自洽场方法推广到非传统超导体，处理了有关的边界问题，并研究了非传统超导体间的约瑟夫森隧道效应，给出隧道结临界电流随两侧晶体相对取向改变而变化的定量关系。     

约瑟夫森效应的历史、性质与应用

 1.约瑟夫森效应的历史1959年,美国物理学家加埃弗(ＩｖａｒＧｉａｅｖｅｒ)做了一个重要的实验:他把一块超导体和一块正常导体连接在一起,中间放一块很薄的绝缘介质,这层绝缘介质对于电子来说就是一个势垒,当他在连接起来的超导体和正常导体两边加上电压后,发现电子可以穿过,他把这种现象叫做隧道效应。1960年加埃弗将两边换成超导体,仍然产生了隧道效应。但是,加埃弗的实验现象并没有引起科学界的足够重视,因为在超导研究的初期人们就已经知道,超导电流是由电子对构成的,电子对穿过绝缘层的可能性太小了。     

拓扑绝缘体/超导体异质结中的近邻效应

拓扑超导体自身具有对量子退相干天然的免疫性以及可编织性,这使得它在现代量子计算领域中受到了越来越多的重视,并且成为了下一代计算技术中最有希望的候选者之一。由于拓扑超导态在固有拓扑超导体中相当罕见,因此,当前大部分实验上的工作主要集中在由 s 波超导体与拓扑绝缘体之间通过近邻效应所诱导的拓扑超导体上。本论文中,我们回顾了基于拓扑绝缘体/超导体异质结的拓扑超导体的研究进展。在理论上,Fu 和 Kane 提出,通过近邻效应将 s 波超导体的能隙引入到拓扑绝缘体,可以诱导出拓扑超导电性。在实验上,我们也回顾了一些不同体系中的拓扑超导近邻效应的研究进展。文章的第一部分,我们介绍了一些异质结,包括：三维拓扑绝缘体 Bi2Se3和 Bi2Se3 与 s 波超导体NbSe2 以及 d 波超导体 Bi2Sr2CaCu2O8+δ 的异质结,拓扑绝缘体 Sn1−xPbxTe 与 Pb 的异质结,二维拓扑绝缘体 WTe2 与NbSe2 的异质结。此外,还介绍了 TiBiSe2 在 Pb 上的拓扑绝缘近邻效应。另一部分中,我们对基于拓扑绝缘体的约瑟夫森结进行了回顾,包括著名的基于 Fu-Kane 体系的拓扑绝缘体约瑟夫森结,以及基于约瑟夫森结的超导量子干涉器件。     

约瑟夫森结AlOx-Al隧道势垒的实验研究

通过Ｘ光电子能谱（ＸＰＳ）、阳极氧化电压谱（ＡＶＳ）和Ｆｉｓｋｅ台阶电压的测量，研究了约瑟夫森结中ＡｌＯ_x-Ａｌ隧道势垒．发现结的隧道势垒最佳沉积Ａｌ层厚度为７ｎｍ，Ａｌ上形成ＡｌＯ_x厚度只取决于氧化条件，与沉积Ａｌ厚无关，势垒Ａｌ氧化物可能含有一个像ＡｌＯＯＨ态的ＯＨ基团．同时，估算了剩余Ａｌ厚度，证实了结中Ａｌ／Ｎｂ间在４.２Ｋ时，由常态Ａｌ而产生临近效应的存在 关键词：     

第二讲 高温超导约瑟夫森结技术及其应用

高温超导约瑟夫森结技术近年来发展很快，特别是台阶结、双晶结、双外延结、边缘结和邻近效应结等性能已达到实用水平，并应用于超导量子干涉器件、数字信号处理和高频有源器件中。文章介绍了这些结的技术和有关的应用。     

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…     

高温超导约瑟夫森结技术及其应用

高温超导约瑟夫森结技术近年来发展很快，特别是台阶结、双晶结、双外延结、边缘结和邻近效应结等性能已达到实用水平，并应用于超导量子干涉器件、数字信号处理和高频有源器件中。文章介绍了这些结的技术和有关的应用。     

高温超导约瑟夫森效应演示仪

<正>设备组成:测量仪+样品+测量杆;测量仪:高温超导约瑟夫森效应演示仪微波源:固态微波发生器;频段:10GHz;最大输出功率:80mW;衰减器:最大衰减20dB;样品:高温超导晶界约瑟夫森结尺寸:10mm×10mm×1mm;工作温度:77K(液氮沸点温度)测量杆:采用快速真空接头的漏热式恒温器;工作温度:300K至77K;性能指标:能测量、显示高温超导约瑟夫森结和超导体的临界转变温度Tc和交直流约瑟夫森效应(约瑟夫森结的Ⅰ-Ⅴ曲线)。配置一些其它部件还可显示约瑟夫森电流随磁场的     

约瑟夫森器件中的宏观量子现象及超导量子计算

超导体中的电子结成库珀对，凝聚到可以用一个宏观波函数来描绘的能量基态，该波函数的位相是代表了成百万库珀对集体运动的宏观变量．以约瑟夫森结为基础元件的超导约瑟夫森器件，使人们能够控制并测量一个超导体的位相和库珀对数目，因此是研究宏观量子现象的理想系统．文章回顾了约瑟夫森器件中的宏观量子现象研究的发展历程，介绍了当前超导约瑟夫森器件在量子计算中的重要应用，并对它们的未来作了简要的展望．     

垫圈样式的约瑟夫森结

垫圈是与螺栓、螺母配套使用的金工零件．试想，将三个大小相同的垫圈叠在一起：两个超导Nb垫圈，中间夹一个极薄的绝缘垫圈(AJOx)，便构成了一个环形约瑟夫森结．最近，来自德国爱尔兰根一纽伦堡大学的wallraff等研究了这样一种“长约瑟夫森结”中的涡流动力学特性．结果表明，这类涡旋有可能成为未来量子计算中量子比特的候选者．     

高温超导约瑟夫森结阵列的相位锁定

根据交流约瑟夫森效应,研究了嵌入Fabry-Perot谐振腔里的约瑟夫森结阵列在微波辐照下的相位锁定问题。结阵列是由生长在双晶钇稳定氧化锆(YSZ)基片上的YB2Cu3O7(YBCO)超导薄膜光刻成微桥得到的。通过优化设计,在温度为79.2K辐照频率为77.465GHz的条件下,包含620个串联约瑟夫森双晶结的结阵列在外加微波辐照下实现了相位锁定,得到了陡峭的夏皮罗台阶。其第一级夏皮罗台阶的电压约为0.1V,台阶高度约为0.17mA。试验结果表明,这种结阵列结构在电压基准的应用上有极大的优势,而且这种准光学耦合方法在太赫兹信号发生和检测方面有很好的应用前景。     

约瑟夫森效应的一种初等阐述

用初等方法导出了约瑟夫森公式，阐述了约瑟夫森效应及其简单应用．     

奇妙的约瑟夫森效应

 在对超导体性质与超导原因研究的基础上,物理学家们又对两块超导体之间的薄绝缘层(1nm左右),从理论和实验两方面进行了深入而持久的探索与研究,并取得了丰硕的成果。     

诗词三首

一些科学家预言真空空间中的量子起伏可能是推动宇宙加速膨胀的暗能量的来源，并建议利用约瑟夫森结（Josephson junction）来验证这一预言．     

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.     

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。     

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     

基于高温超导双晶结的约瑟夫森效应观测实验

基于YBa2Cu3O7-δ高温超导双晶结,组建了约瑟夫森效应测试装置.利用此装置观察了直流和交流约瑟夫森效应,并测量了约瑟夫森结的临界电流和夏皮罗台阶.