超导单电子晶体管-约瑟夫森结

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2023-02-01 08:24:01 517

由两块超导体夹而构成的结构

由很薄的绝缘体或正常导体隔开，或由截面很小的超导桥隔开，因而仅存在弱耦合的两个超导体形成的结。

约瑟夫森结（Josephson junction），或称为超导隧道结。一般是由两块超导体夹以某种很薄的势垒层 ( 厚度 ≤ Cooper电子对的相干长度)而构成的结构，例如S(超导体)—I(半导体或绝缘体)—S(超导体)结构，简称SIS。在其中超导电子可以通过隧道效应而从一边穿过半导体或绝缘体薄膜到达另一边。不过,实际上只要是两块弱耦合(耦合区尺寸≤Cooper电子对的相干长度)的超导体都可构成Josephson结，不一定需要采用隧道结的形式。

优点: 接近*零度的温度下交换速度快

简介

约瑟夫森结是以英国物理学家布赖恩·约瑟夫森命名，在约瑟夫森的预测之前，人们仅知道非超导状态的的电子可以借由量子隧穿效应流过绝缘层。约瑟夫森*预测了超导状态下库珀对的隧穿现象，也因此获得了1973年诺贝尔物理学奖。

约瑟夫森结由两个超导体构成，它们被一个非常薄的非超导电层隔开，所以电子能够穿过绝缘层。当没有电压时超导体间的电流称作约瑟夫森电流（Josephson current），而电子通过障碍物的运动称作约瑟夫森隧穿（Josephson tunneling）。通过超导路径连结在一起的两个或多个结就构成了所谓的约瑟夫森干涉仪（Josephson interferometer）。

电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。1962年由B.D约瑟夫森首先在理论上预言，在不到一年的时间内，P.W.安德森和J.M.罗厄耳等人从实验上证实了约瑟夫森的预言。约瑟夫森效应的物理内容很快得到充实和完善，应用也快速发展，逐渐形成一门新兴学科——超导电子学。

电压-电流特性

当约瑟夫森结两端的电流，超过它的临界电流后，它就会转换到有电压的状态同时释放一个磁通量子。一个约瑟夫森结的临界电流是由它的面积所决定的，面积越大，临界电流值就越高。

国际上比较*的标准有，美国的HYPRES(临界电流密度是4.5KA/CM2),日本的SRL(2.5KA/CM2)和ADP(10KA/CM2). 图1可见，当电流(红线)超过100微安的临界点时，JJ的两端变成有电压状态，当外部电流减小时，JJ最后还是能回到超导状态(蓝线).如果将一定的电阻并在JJ上，可以达到红线和蓝线重合的效果。并列的电阻值与临界电流比是3.73。

约瑟夫森效应

直流约瑟夫森效应结两端的电压V=0时，结中可存在超导电流，它是由超导体中的库珀对的隧道效应引起的。只要该超导电流小于某一临界电流Ic，就始终保持此零电压现象，Ic称为约瑟夫森临界电流。Ic对外磁场十分敏感，甚至地磁场可明显地影响Ic。沿结平面加恒定外磁场时，结中的隧道电流密度在结平面的法线方向上产生不均匀的空间分布。改变外磁场时，通过结的超导电流Is随外磁场的增加而周期性地变化，描出与光学中的夫琅和费单缝衍射分布曲线相似的曲线，称为超导隧结的量子衍射现象。

交流约瑟夫森效应结两端的直流电压V≠0时，通过结的电流是一个交变的振荡超导电流，振荡频率（称约瑟夫森频率）f与电压V成正比，即f=V，e为电子电量，h为普朗克常数，这使超导隧道结具有辐射或吸收电磁波的能力。以微波辐照隧道结时可产生共振现象。连续改变所加的直流电压以改变交流振荡频率，当约瑟夫森频率f等于微波频率的整数倍时，就发生共振，此时有直流成分的超导电流流过隧道结，在 I-V 特性曲线上可观察到一系列离散的阶梯式的恒定电流。测定约瑟夫森频率f，可由电压V测定常量2e/ h，或从已知常量e和h精确测定V。

应用

约瑟夫森结有许多种类，例如pi型约瑟夫森结、varphi型约瑟夫森结、长型约瑟夫森结以及超导隧穿接面等。达依坶桥是一种约瑟夫森结的薄膜变体，其弱连结由数微米尺度的超导导线所组成。一个装置的复杂度可用其约瑟夫森结数作为基准衡量。约瑟夫森效应有广泛的应用，例如：超导量子干涉仪（SQUIDs），又称超导量子干涉装置，是非常敏感的磁强计。这类仪器是借由约瑟夫森效应运作的，在科学和工程中应用广泛。

当进行精确的计量时，约瑟夫森效应提供了一种具有完全再现性的频率和电压转换。由于频率已由铯标准明确界定，约瑟夫森效应多用于给出1伏特的标准值，即约瑟夫森电压标准。然而，国际度量衡局并没有因此调整国际单位制。

单一电子晶体管通常用超导材料制造，从而可利用约瑟夫森效应实现新颖的效果。这种装置称为“超导单电子晶体管”。约瑟夫森效应也可用于精确测量基本电荷，并以约瑟夫逊常数和冯克利青常数作表示。这二个常数与量子霍尔效应相关。

RSFQ数字电路是基于并联的约瑟夫森结。在这个情况，接面开关与一个带数字信息的磁通量量子的释放有关。

2022年4月，荷兰代尔夫特理工大学副教授马扎尔·阿里及其研究小组*使用约瑟夫森结制作出了约瑟夫森二极管。

国内首条量子芯片生产线量子芯片封装示意

目前国内首条量子芯片上晶圆上可达数百个"约瑟夫森结", 自研的无损探针可以使探针插入晶圆的面积小于1um, 凹坑深度小于100nm左右，通过超低温测试确认经无损探针仪测试前后量子芯片的性能基本上没有什么变化。量子芯片封装盒与传统芯片封装可谓是天壤之别，需要超导的封装盒给量子芯片（晶圆）在超低温制冷剂里做电磁屏蔽保护以及导热和量子比特信号的通信传递。

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