Когерентные явления в туннельных джозефсоновских переходах с малой емкостью и квантовые устройства на их основе

• Автор: Зорин, Александр Борисович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 160 с. : ил.

Глава 1. Елоховские осцилляции в джозефсоновских переходах

1.1. Модель перехода с малой емкостью

1.2. Елоховские состояния

1.3. Влияние малой диссипации

1.4. Елоховские колебания

1.5. Эффект флуктуаций

1.6. Развитие теории и эксперимента

Глава 2. Елоховский транзистор и электрометры на его основе

2.1. Модель блоховского транзистора

2.2. Электрометры на джозефсоновском сверхтоке

2.3. Елоховский электрометр постоянного тока

2.4. Радиочастотный блоховский электрометр
2.5. Дальнейшее развитие блоховских электрометров
Глава 3. Джозефсоновский кубит
3.1 Принцип устройства кубита и схемы его измерений
3.2. Источники декогерентизации и ослабление их действия
3.2.1. Квазичастичное туннелирование
3.2.2. Влияние флуктуаций напряжения на затворе
3.2.3. Влияние флуктуаций потока в кольце кубита
3.2.3. Особые рабочие точки
3.3. Проблемы считывания и управления
Глава 4. Аспекты квантовой метрологии и эксперимента с одиночными
куперовскими парами
4.1. Квантовый метрологический треугольник
4.2. Реализация электрического тока в одноэлектронных насосах
4.3. Квантование сопротивления в блоховском транзисторе
4.4. Проблема фонового заряда
4.5. СВЧ фильтр для экспериментальной установки
Заключение
Список литературы
Список публикаций автора

Благодаря когерентным свойствам макроскопического конденсата куперовских пар явление сверхпроводимости занимает особое место в физике конденсированного вещества. Открытие эффекта Джозефсона в туннельных сверхпроводниковых переходах [1] имело решающее значение для развития этой области знаний [2,3]. Оно способствовало пониманию процесса туннелирования куперовских пар в сверхпроводниках, объяснило природу джозефсоновской фазы и сверхтока. Вслед за развитием микроскопической теории туннельного эффекта Джозефсона были развиты теории стационарных и нестационарных процессов, происходящих в различных типах джозефсоновских переходов (в точечных контактах и мостиках различной геометрии, см., например, монографию [3]). Параллельно с развитием теории совершенствовались и технологии изготовления джозефсоновских переходов, а также шли разработки устройств на основе как традиционных сверхпроводников, так и на основе вновь открытых сверхпроводящих материалов, обладающих высокой критической температурой Тс (см., например, обзорные работы [А1, А2]). Эта активность стимулировала бурное развитие твердотельной электроники, основанной на уникальных свойствах джозефсоновских переходов. Эффективное управление фазой параметра порядка сверхпроводящего конденсата электрическими и магнитными полями с помощью нелинейных джозефсоновских элементов легло в основу создания ряда устройств с характеристиками близкими к предельным, определяемым фундаментальными квантовыми ограничениями. Интересно, что при этом динамика макроскопической коллективной переменной (джозефсоновской разности фаз сверхпроводящих электродов, имеющих макроскопические размеры) в этих устройствах, как правило, описывалась классическими уравнениями движение.
К этим устройствам относятся различные типы джозефсоновских магнитометров (сквидов), приемников СВЧ диапазона, квантовые стандарты напряжения, сверхбыстрые схемы логики и памяти, работающие на одиночных квантах магнитного потока и т.д. (см., например, монографию [4]). Уникальность характеристик этих устройств основана на
нелинейных свойствах джозефсоновской индуктивности I./ , т.е. параметра отражающего инерционные свойства джозефсоновского сверхтока 1„. В туннельных переходах этот параметр равен
Ьл- (В.1)
^(ф)
2тl[ЗфJ СОБф
где сверхток 15, согласно основному соотношению Джозефсона, имеет гармоническую зависимость от фазы, а именно,
/Дф) = /с8Шф, (В.2)
где ф - джозефсоновская разность фаз, 1С - критический ток, а константа Ф0 = Ы2е ю 2,07х 10“15 Вб - есть квант магнитного потока. Величина Д/о, определяющая амплитуду обратной гармонической зависимости (В.2) индуктивности джозефсоновского перехода от разности фаз ф в формуле (В.1), равна Д./(0)= (Фо/2п)/1с. В частности, благодаря периодическим зависимостям (В.2), (В.З) возможен режим джозефсоновской генерации, <р = 2е¥/ЦфО.
Однако, особое значение для физики сверхпроводимости имели случаи неклассического поведения макроскопической джозефсоновской фазы [5, 6]. Так в основополагающей работе Андерсона [7] было показано, что в общем случае, фаза сверхпроводника ф и соответствующий ей магнитный поток, Ф = (Фо/2л)ф, должны в рассматриваться как квантово-механические операторы. Было, в частности, показано, что важным свойством является отсутствие коммутации этих операторов с оператором числа частиц (куперовских пар), N--131 Эф , или оператором электрического заряда, прямо пропорциональному оператору /V, т.е. () = 2еЫ = (-г'Й)Э/ЭФ. Согласно работе [7] эти
коммутаторы соответственно равны
[ф, А] = 1% [Ф ,0 = гТг. (В.З)
Аналогично фундаментальному соотношению между операторами координаты х и импульса р, свойство (В.З) обуславливает невозможность одновременного определения