超導單電子晶體管-約瑟夫森結

印寧華|印寧華|Indining China|

2023-02-01 08:24:01 527

由兩塊超導體夾而構成的結構

由很薄的絕緣體或正常導體隔開，或由截面很小的超導橋隔開，因而僅存在弱耦合的兩個超導體形成的結。

約瑟夫森結（Josephson junction），或稱為超導隧道結。一般是由兩塊超導體夾以某種很薄的勢壘層 ( 厚度 ≤ Cooper電子對的相干長度)而構成的結構，例如S(超導體)—I(半導體或絕緣體)—S(超導體)結構，簡稱SIS。在其中超導電子可以通過隧道效應而從一邊穿過半導體或絕緣體薄膜到達另一邊。不過,實際上只要是兩塊弱耦合(耦合區尺寸≤Cooper電子對的相干長度)的超導體都可構成Josephson結，不一定需要采用隧道結的形式。

優點: 接近*零度的溫度下交換速度快

簡介

約瑟夫森結是以英國物理學家布賴恩·約瑟夫森命名，在約瑟夫森的預測之前，人們僅知道非超導狀態的的電子可以借由量子隧穿效應流過絕緣層。約瑟夫森*預測了超導狀態下庫珀對的隧穿現象，也因此獲得了1973年諾貝爾物理學獎。

約瑟夫森結由兩個超導體構成，它們被一個非常薄的非超導電層隔開，所以電子能夠穿過絕緣層。當沒有電壓時超導體間的電流稱作約瑟夫森電流（Josephson current），而電子通過障礙物的運動稱作約瑟夫森隧穿（Josephson tunneling）。通過超導路徑連結在一起的兩個或多個結就構成了所謂的約瑟夫森干涉儀（Josephson interferometer）。

電子能通過兩塊超導體之間薄絕緣層的量子隧道效應。1962年由B.D約瑟夫森首先在理論上預言，在不到一年的時間內，P.W.安德森和J.M.羅厄耳等人從實驗上證實了約瑟夫森的預言。約瑟夫森效應的物理內容很快得到充實和完善，應用也快速發展，逐漸形成一門新興學科——超導電子學。

電壓-電流特性

當約瑟夫森結兩端的電流，超過它的臨界電流后，它就會轉換到有電壓的狀態同時釋放一個磁通量子。一個約瑟夫森結的臨界電流是由它的面積所決定的，面積越大，臨界電流值就越高。

國際上比較*的標準有，美國的HYPRES(臨界電流密度是4.5KA/CM2),日本的SRL(2.5KA/CM2)和ADP(10KA/CM2). 圖1可見，當電流(紅線)超過100微安的臨界點時，JJ的兩端變成有電壓狀態，當外部電流減小時，JJ最后還是能回到超導狀態(藍線).如果將一定的電阻并在JJ上，可以達到紅線和藍線重合的效果。并列的電阻值與臨界電流比是3.73。

約瑟夫森效應

直流約瑟夫森效應結兩端的電壓V=0時，結中可存在超導電流，它是由超導體中的庫珀對的隧道效應引起的。只要該超導電流小于某一臨界電流Ic，就始終保持此零電壓現象，Ic稱為約瑟夫森臨界電流。Ic對外磁場十分敏感，甚至地磁場可明顯地影響Ic。沿結平面加恒定外磁場時，結中的隧道電流密度在結平面的法線方向上產生不均勻的空間分布。改變外磁場時，通過結的超導電流Is隨外磁場的增加而周期性地變化，描出與光學中的夫瑯和費單縫衍射分布曲線相似的曲線，稱為超導隧結的量子衍射現象。

交流約瑟夫森效應結兩端的直流電壓V≠0時，通過結的電流是一個交變的振蕩超導電流，振蕩頻率（稱約瑟夫森頻率）f與電壓V成正比，即f=V，e為電子電量，h為普朗克常數，這使超導隧道結具有輻射或吸收電磁波的能力。以微波輻照隧道結時可產生共振現象。連續改變所加的直流電壓以改變交流振蕩頻率，當約瑟夫森頻率f等于微波頻率的整數倍時，就發生共振，此時有直流成分的超導電流流過隧道結，在 I-V 特性曲線上可觀察到一系列離散的階梯式的恒定電流。測定約瑟夫森頻率f，可由電壓V測定常量2e/ h，或從已知常量e和h精確測定V。

應用

約瑟夫森結有許多種類，例如pi型約瑟夫森結、varphi型約瑟夫森結、長型約瑟夫森結以及超導隧穿接面等。達依坶橋是一種約瑟夫森結的薄膜變體，其弱連結由數微米尺度的超導導線所組成。一個裝置的復雜度可用其約瑟夫森結數作為基準衡量。約瑟夫森效應有廣泛的應用，例如：超導量子干涉儀（SQUIDs），又稱超導量子干涉裝置，是非常敏感的磁強計。這類儀器是借由約瑟夫森效應運作的，在科學和工程中應用廣泛。

當進行精確的計量時，約瑟夫森效應提供了一種具有完全再現性的頻率和電壓轉換。由于頻率已由銫標準明確界定，約瑟夫森效應多用于給出1伏特的標準值，即約瑟夫森電壓標準。然而，國際度量衡局并沒有因此調整國際單位制。

單一電子晶體管通常用超導材料制造，從而可利用約瑟夫森效應實現新穎的效果。這種裝置稱為“超導單電子晶體管”。約瑟夫森效應也可用于精確測量基本電荷，并以約瑟夫遜常數和馮克利青常數作表示。這二個常數與量子霍爾效應相關。

RSFQ數字電路是基于并聯的約瑟夫森結。在這個情況，接面開關與一個帶數字信息的磁通量量子的釋放有關。

2022年4月，荷蘭代爾夫特理工大學副教授馬扎爾·阿里及其研究小組*使用約瑟夫森結制作出了約瑟夫森二極管。

國內首條量子芯片生產線量子芯片封裝示意

目前國內首條量子芯片上晶圓上可達數百個"約瑟夫森結", 自研的無損探針可以使探針插入晶圓的面積小于1um, 凹坑深度小于100nm左右，通過超低溫測試確認經無損探針儀測試前后量子芯片的性能基本上沒有什么變化。量子芯片封裝盒與傳統芯片封裝可謂是天壤之別，需要超導的封裝盒給量子芯片（晶圓）在超低溫制冷劑里做電磁屏蔽保護以及導熱和量子比特信號的通信傳遞。

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