초전도 터널 분기점

초전도체-인슐레이터-초전도체 터널 접합부(SIS)라고도 알려진 초전도체 터널 접합부(STJ)는 매우 얇은 단열재로 분리된 두 개의 초전도체로 구성된 전자 소자다.전류는 양자 터널링 과정을 통해 접속부를 통과한다.STJ는 Josephson 접합부의 한 유형이지만, STJ의 모든 특성이 Josephson 효과에 의해 설명되는 것은 아니다.

이 장치들은 전자기파 복사, 자기계, 고속 디지털 회로 소자, 양자 계산 회로의 고감도 검출기를 포함하여 광범위한 응용 분야를 가지고 있다.

양자 터널링

STJ를 통해 흐르는 모든 전류는 양자 터널링 과정을 통해 절연층을 통과한다.터널링 전류에는 두 가지 구성 요소가 있다.첫번째는 쿠퍼 쌍의 터널링에서 나온 것이다.이 초전류는 1962년 브라이언 데이비드 조셉슨이 처음 예측한 교류와 dc 조셉슨 관계에 의해 설명된다.^[1]이 예측으로 조셉슨은 1973년에 노벨 물리학상을 받았다.두 번째는 0온도의 한계에서 바이어스 전압 ${\displaystyle e}$ V ${\displaystyle eV}$의 에너지가 초전도 에너지 갭 Δ의 두 배를 초과할$$ 때 발생하는 퀘이피자 전류다.유한 온도에서는 퀘이파르티클의 퀘이파르티클의 열 촉진으로 인해 에너지 갭의 2배 미만의 전압에도 서브갭이라 불리는 작은 퀘이피클 터널링 전류가 존재한다.

STJ가 주파수 $f{\displaystyle }$ ${\displaystyle f}$의 광자로 조사된 경우$,$ dc 전류 전압 곡선은 광자 보조 터널링으로 인한 샤피로 스텝과 스텝을 모두 나타낸다.샤피로 스텝은 초전류의 응답에서 발생하며, ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle h}$f${\displaystyle }$/ ( ${\displaystyle 2}$e )$${\$displaystyle nhf/(2e)}$과 동일한 전압에서 발생하며$,$ $여기$서 h$${\$displaystyle h}$은 Planck의 상수, e ${\displaystystyle$ $}$은 전자$$ $전하{\displaystyle }$,$$n {\$displaysty$ n$}$은 정수다.^[2]광자 보조 터널링은 퀘이파티클의 응답으로 발생하며, 갭 전압에 ${\displaystyle \mathrm{비례}}$하여 n h${\displaystyle }$/ ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle nhf/e}$에 의해 전압 대체 단계가 발생한다.^[3]

장치 제작

이 장치는 일반적으로 알루미늄과 같은 초전도 금속의 얇은 막을 실리콘과 같은 절연 기질에 먼저 투하하여 제조한다.증착은 진공 챔버 내부에서 수행된다.그런 다음 산소 가스가 챔버에 유입되어 전형적인 두께가 수 나노미터인 산화알루미늄(Al ${\displaystyle {}_{\mathrm{}}}$ ${\$}}$O$ ${\displaystyle {}_{\mathrm{}}}$ ${\$의 단열층이 형성된다.진공이 복구된 후 겹겹의 초전도 금속층이 퇴적되어 STJ가 완성된다.잘 정의된 오버랩 영역을 만들기 위해 나이메이어-돌란 기법으로 알려진 절차가 일반적으로 사용된다.이 기법은 2각 증착과 함께 매달린 저항 교량을 사용하여 접합부를 정의한다.

알루미늄은 단열층을 단락시키는 결함이 없는 매우 얇은(2~3nm) 단열 산화층을 형성하는 독특한 능력 때문에 초전도 터널 접합부를 만드는데 널리 사용된다.알루미늄의 초전도 임계 온도는 약 1.2 켈빈(K)이다.많은 응용의 경우, 특히 대기압에서 4.2K인 액체 헬륨의 비등점 이상의 온도에서 높은 온도에서 초전도하는 장치를 갖는 것이 편리하다.이를 달성하기 위한 한 가지 접근방식은 초전도 임계온도가 9.3K. 니오비움의 대량 형태인 니오비움을 사용하는 것이지만 터널 접합에 적합한 산화물을 형성하지 않는다.단열 산화물을 형성하기 위해, 니오비움의 첫 번째 층을 매우 얇은 층(약 5nm)의 알루미늄으로 코팅할 수 있으며, 그 다음 산화하여 니오비움의 최종 층이 퇴적되기 전에 고품질의 산화 터널 장벽을 형성한다.얇은 알루미늄 층은 두꺼운 니오비움에 의해 대체되며, 그 결과 기기는 4.2K 이상의 초전도 임계 온도를 가진다.^[4] 초기 작업에서는 납-납 산화물-납 터널 접합부를 사용했다.^[5]납은 벌크 형태로 7.2K의 초전도 임계온도를 가지지만, 산화납은 극저온과 상온 사이에서 장치를 열순환할 때 터널 차단벽을 단락시키는 결함(핀홀 결함이라고도 함)이 생기는 경향이 있어 더 이상 STJ를 만드는 데 납은 널리 사용되지 않는다.

적용들

방사성동위원소법

STJ는 100GHz~1000GHz 주파수 범위에서 가장 민감한 헤테로디네 수신기여서 이들 주파수에서 전파 천문학에 사용된다.^[6]이 애플리케이션에서 STJ는 갭 전압 바로 아래의 전압(${\displaystyle V}$= ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle \mathrm{\Delta }}$/ e ${\displaystyle V$= $2\Delta /e})$에서 dc 편향된다.관심 있는 천문학적인 물체로부터의 고주파 신호는 국부 발진기와 함께 STJ에 집중된다.STJ에 흡수된 광자는 퀘이파티클이 광자 보조 터널링 과정을 통해 터널을 통과하도록 한다.이 광자 보조 터널링은 전류 전압 곡선을 변경하여 천문 신호와 국소 발진기의 차이 주파수에서 출력을 생성하는 비선형성을 생성한다.이 출력은 천문 신호의 주파수 하향 변환 버전이다.^[7]이러한 수신기는 매우 민감하므로 장치 성능에 대한 정확한 설명은 양자 노이즈의 영향을 고려해야 한다.^[8]

단광 검출

헤테로디네 검출 외에도 STJ를 직접 검출기로도 사용할 수 있다.이 애플리케이션에서 STJ는 갭 전압보다 낮은 dc 전압으로 편향된다.초전도체에 흡수된 광자는 쿠퍼 쌍을 깨뜨리고 퀘이파티클을 만든다.퀘이파티클은 인가 전압 방향으로 접속부를 가로질러 터널을 통과하며, 그 결과 발생하는 터널링 전류는 광자 에너지에 비례한다.STJ 장치는 X선에서 적외선에 이르는 광자 주파수의 단일광자 검출기로 채택되었다.^[9]

오징어

초전도 양자 간섭 소자 또는 SQUID는 조셉슨 접합부를 포함하는 초전도 루프를 기반으로 한다.SQUID는 단일 자속 양자 측정이 가능한 세계에서 가장 민감한 자력계다.

양자 컴퓨팅

초전도 양자 컴퓨팅은 충전 qubit, 플럭스 qubit, 위상 qubit 등 STJ 기반 회로를 활용한다.

RSFQ

STJ는 고속 단속 양자 또는 RSFQ 고속 논리 회로의 1차 활성 소자다.^[10]

조셉슨 전압 표준

조셉슨 접속부에 고주파 전류가 인가되면 ac 조셉슨 전류가 인가된 주파수와 동기화되어 기기의 I-V 곡선(샤피로 스텝)에서 정전압 영역이 상승한다.For the purpose of voltage standards, these steps occur at the voltages ${\displaystyle nf/K_{J}}$ where ${\displaystyle n}$ is an integer, ${\displaystyle f}$ is the applied frequency and the Josephson constant ${\displaystyle K_{J}=483597.9\,{\textrm {GHz}}/{\text$$rm {V}}$은(는) 기본적으로 $2{\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle e/h}$ ${\displaystyle 2e/h}$과(와) 동일한 국제적으로 정의된 상수로$,$ 이러한 단계는 주파수에서 전압으로 정확한 변환을 제공한다.주파수는 매우 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 이 효과는 "기존" 전압의 국제 정의를 구현하는 조셉슨 전압 표준의 기초로 사용된다.^[11][12]

참고 항목

• 초전도성
• 조셉슨 효과
• 거시 양자 현상
• 양자 터널링
• 초전도 양자 간섭 소자(SQUID)
• 초전도 양자 컴퓨팅
• RSFQ(Rapid Single flux Quantum)
• 극저온 입자 검출기

참조