تقاطع تونل ابررسانا

توسط علی رضا نقش نیلچی | شنبه دهم تیر ۱۴۰۲ | 0:5

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

اتصال تونل ابررسانا ( STJ ) - همچنین به عنوان اتصال تونل ابررسانا-عایق- ابررسانا ( SIS ) شناخته می شود - یک دستگاه الکترونیکی متشکل از دو ابر رسانا است که توسط یک لایه بسیار نازک از مواد عایق از هم جدا شده اند. جریان از طریق فرآیند تونل زنی کوانتومی از محل اتصال عبور می کند . STJ نوعی از اتصال جوزفسون است ، اگرچه تمام ویژگی های STJ توسط اثر جوزفسون توصیف نمی شود.

این دستگاه ها دارای طیف گسترده ای از کاربردها هستند، از جمله آشکارسازهای با حساسیت تابش الکترومغناطیسی ، مغناطیس سنج ها ، عناصر مدار دیجیتال با سرعت بالا و مدارهای محاسباتی کوانتومی .

تونل کوانتومی [ ویرایش ]

تصویری از پیوند تونلی ابررسانا با لایه نازک (STJ). ماده ابررسانا آبی روشن، مانع تونل عایق سیاه و زیرلایه سبز است.

نمودار انرژی یک اتصال تونل ابررسانا. محور عمودی انرژی است و محور افقی چگالی حالت ها را نشان می دهد . جفت های کوپر در انرژی فرمی وجود دارند که با خطوط چین نشان داده می شوند. یک ولتاژ بایاس V در سراسر محل اتصال اعمال می شود و انرژی فرمی دو ابررسانا را نسبت به یکدیگر با انرژی eV تغییر می دهد، جایی که e بار الکترون است . حالت های شبه ذره ای برای انرژی های بیشتر از Δ از انرژی فرمی وجود دارد که Δ شکاف انرژی ابررسانا است. سبز و آبی به ترتیب حالت های شبه ذرات خالی و پر را در دمای صفر نشان می دهند.

طرحی از منحنی جریان-ولتاژ (IV) یک اتصال تونل ابررسانا. جریان تونل زنی جفت کوپر در V = 0 مشاهده می شود، در حالی که جریان تونل سازی شبه ذره برای V> 2Δ/e و V <-2Δ/e دیده می شود.

تمام جریان هایی که از STJ می گذرند از طریق فرآیند تونل زنی کوانتومی از لایه عایق عبور می کنند . دو جزء برای جریان تونل وجود دارد. اولین مورد از تونل زنی جفت کوپر است . این ابرجریان توسط روابط جوزفسون ac و dc توصیف می‌شود که اولین بار توسط برایان دیوید جوزفسون در سال 1962 پیش‌بینی شد . [1] برای این پیش‌بینی، جوزفسون جایزه نوبل فیزیک را در سال 1973 دریافت کرد. دمای صفر، وقتی انرژی ناشی از ولتاژ بایاس ایجاد می شوده� $eV$ بیش از دو برابر مقدار شکاف انرژی ابررسانا Δ است. در دمای محدود، یک جریان تونلی شبه ذره کوچک - به نام جریان زیر شکاف - حتی برای ولتاژهای کمتر از دو برابر شکاف انرژی به دلیل ارتقای حرارتی شبه ذرات بالای شکاف وجود دارد.

اگر STJ با فوتون های فرکانس تابش شود� $f$ منحنی جریان-ولتاژ dc هم مراحل و هم مراحل شاپیرو را به دلیل تونل زنی به کمک فوتون نشان می دهد. گام های شاپیرو از پاسخ ابرجریان به وجود می آیند و در ولتاژهای برابر با�ساعت�/(2ه) $nhf/(2e)$ ، جایی کهساعت $ساعت$ ثابت پلانک است ،ه $ه$ بار الکترون است و� $n$ یک عدد صحیح است . [2] تونل زنی به کمک فوتون از پاسخ شبه ذرات ناشی می شود و باعث ایجاد پله هایی می شود که در ولتاژ جابجا شده اند.�ساعت�/ه $nhf/e$ نسبت به ولتاژ شکاف [3]

ساخت دستگاه [ ویرایش ]

این دستگاه معمولاً با قرار دادن یک لایه نازک از یک فلز ابررسانا مانند آلومینیوم بر روی یک بستر عایق مانند سیلیکون ساخته می شود . رسوب گذاری در داخل یک محفظه خلاء انجام می شود . سپس گاز اکسیژن وارد محفظه می شود و در نتیجه یک لایه عایق از اکسید آلومینیوم (Al) تشکیل می شود.2 $_{2}$ O3 $_{3}$ ) با ضخامت معمولی چند نانومتر . پس از بازیابی خلاء، یک لایه همپوشانی از فلز ابررسانا رسوب می‌کند و STJ را تکمیل می‌کند. برای ایجاد یک منطقه همپوشانی کاملاً تعریف شده، معمولاً از روشی به نام تکنیک نیمایر-دولان استفاده می شود. این تکنیک از یک پل معلق مقاومت با رسوب دو زاویه ای برای تعیین محل اتصال استفاده می کند.

آلومینیوم به طور گسترده برای ایجاد اتصالات تونل های ابررسانا استفاده می شود، زیرا توانایی منحصر به فرد آن در تشکیل یک لایه اکسید عایق بسیار نازک (2 تا 3 نانومتر) بدون هیچ نقصی که لایه عایق را اتصال کوتاه می کند ، می باشد. دمای بحرانی ابررسانا آلومینیوم تقریباً 1.2 کلوین (K) است. برای بسیاری از کاربردها، داشتن دستگاهی که در دمای بالاتر، به ویژه در دمای بالاتر از نقطه جوش هلیوم مایع ، که در فشار اتمسفر 4.2 کلوین است، ابررسانا باشد، راحت است. یک رویکرد برای دستیابی به این هدف استفاده از نیوبیوم استکه دارای دمای بحرانی ابررسانا به شکل توده ای 9.3 کلوین است. نیوبیم، اکسیدی را تشکیل نمی دهد که برای ایجاد اتصالات تونلی مناسب باشد. برای تشکیل یک اکسید عایق، اولین لایه نیوبیوم را می توان با یک لایه بسیار نازک (تقریباً 5 نانومتر) آلومینیوم پوشاند، که سپس اکسیده می شود تا مانع تونل اکسید آلومینیوم با کیفیت بالا قبل از رسوب لایه نهایی نیوبیم شود. لایه نازک آلومینیوم توسط نیوبیوم ضخیم تر نزدیک شده است، و دستگاه حاصل دارای دمای بحرانی ابررسانا بالای 4.2 K است . [5] سرب دارای دمای بحرانی ابررسانا 7.2 کلوین به صورت توده است، اما اکسید سرب تمایل به ایجاد عیوب دارد (گاهی اوقات نقص سوراخ سوزنی نامیده می شود) که وقتی دستگاه به صورت حرارتی بین دماهای برودتی و دمای اتاق قرار می گیرد، مانع تونل را اتصال کوتاه می کند، بنابراین سرب دیگر وجود ندارد . به طور گسترده برای ساخت STJ استفاده می شود.

برنامه های کاربردی [ ویرایش ]

نجوم رادیویی [ ویرایش ]

STJ ها حساس ترین گیرنده های هتروداین در محدوده فرکانس 100 گیگاهرتز تا 1000 گیگاهرتز هستند و از این رو برای نجوم رادیویی در این فرکانس ها استفاده می شوند. [6] در این برنامه، STJ در ولتاژی درست زیر ولتاژ شکاف بایاس dc است (|�|=2Δ/ه $|V|=2\Delta /e$ ). یک سیگنال فرکانس بالا از یک شی نجومی مورد علاقه به همراه یک منبع نوسانگر محلی بر روی STJ متمرکز می شود . فوتون های جذب شده توسط STJ به شبه ذرات اجازه می دهند تا از طریق فرآیند تونل زنی به کمک فوتون تونل بزنند. این تونل زنی به کمک فوتون، منحنی جریان-ولتاژ را تغییر می دهد و یک غیرخطی ایجاد می کند که خروجی را در فرکانس اختلاف سیگنال نجومی و نوسانگر محلی ایجاد می کند. این خروجی یک نسخه تبدیل فرکانس پایین سیگنال نجومی است. [7] این گیرنده ها آنقدر حساس هستند که توصیف دقیق عملکرد دستگاه باید اثرات نویز کوانتومی را در نظر بگیرد . [8]

تشخیص تک فوتون [ ویرایش ]

علاوه بر تشخیص هترودین ، STJها می توانند به عنوان آشکارسازهای مستقیم نیز استفاده شوند. در این کاربرد، STJ با ولتاژ dc کمتر از ولتاژ شکاف بایاس می شود. فوتون جذب شده در ابررسانا جفت های کوپر را می شکند و شبه ذرات ایجاد می کند . تونل شبه ذرات در سراسر اتصال در جهت ولتاژ اعمال شده، و جریان تونل زنی حاصل با انرژی فوتون متناسب است. دستگاه های STJ به عنوان آشکارسازهای تک فوتونی برای فرکانس های فوتون از اشعه ایکس تا مادون قرمز استفاده شده اند . [9]

ماهی مرکب [ ویرایش ]

دستگاه تداخل کوانتومی ابررسانا یا SQUID بر اساس یک حلقه ابررسانا حاوی اتصالات جوزفسون است. SQUID ها حساس ترین مغناطیس سنج های جهان هستند که قادر به اندازه گیری یک کوانتوم شار مغناطیسی هستند .

محاسبات کوانتومی [ ویرایش ]

محاسبات کوانتومی ابررسانا از مدارهای مبتنی بر STJ از جمله کیوبیت های شارژ ، کیوبیت های شار و کیوبیت های فاز استفاده می کند .

RSFQ [ ویرایش ]

STJ عنصر فعال اولیه در مدارهای منطقی سریع کوانتومی تک شار سریع یا RSFQ است. [10]

استاندارد ولتاژ جوزفسون [ ویرایش ]

هنگامی که یک جریان فرکانس بالا به یک اتصال جوزفسون اعمال می شود، جریان AC جوزفسون با فرکانس اعمال شده هماهنگ می شود و باعث ایجاد مناطقی با ولتاژ ثابت در منحنی IV دستگاه می شود (مراحل شاپیرو). به منظور استانداردهای ولتاژ، این مراحل در ولتاژها اتفاق می افتد��/کجی $nf/K_{{J}}$ جایی که� $n$ یک عدد صحیح است،� $f$ فرکانس اعمال شده و ثابت جوزفسون است کجی=483597.9گیگاهرتز/V $K_{J}=483597.9\,{\textrm {GHz}}/{\textrm {V}}$ یک ثابت تعریف شده بین المللی است که اساساً برابر است2ه/ساعت $2e/h$ . این مراحل یک تبدیل دقیق از فرکانس به ولتاژ را فراهم می کند. از آنجایی که فرکانس را می توان با دقت بسیار بالایی اندازه گیری کرد، این اثر به عنوان مبنای استاندارد ولتاژ جوزفسون استفاده می شود که تعریف بین المللی ولت " متعارف " را اجرا می کند. [11] [12]

دیود جوزفسون [ ویرایش ]

در صورتی که STJ تونل زنی نامتقارن جوزفسون را نشان دهد، محل اتصال می تواند به دیود جوزفسون تبدیل شود . [13]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_tunnel_junction

مشخصات وب

در این وبلاگ به ریاضیات و کاربردهای آن و تحقیقات در آنها پرداخته می شود. مطالب در این وبلاگ ترجمه سطحی و اولیه است و کامل نیست.در صورتی سوال یا نظری در زمینه ریاضیات دارید مطرح نمایید .در صورت امکان به آن می پردازم. من دوست دارم برای یافتن پاسخ به سوالات و حل پروژه های علمی با دیگران همکاری نمایم.در صورتی که شما هم بامن هم عقیده هستید با من تماس بگیرید.
09132003030

ریاضیات

آموزش ریاضی