Diodo Josephson

Diodo de material cuántico superconductor

Un diodo Josephson (JD) es un tipo especial de unión Josephson (JJ), que conduce (super)corriente en una dirección mejor que en la dirección opuesta. En otras palabras, tiene una característica asimétrica de corriente-voltaje. Dado que el diodo Josephson es un dispositivo superconductor, la asimetría del transporte de supercorriente es el principal foco de atención. A diferencia de las uniones Josephson convencionales, las supercorrientes críticas (máximas) y para direcciones de polarización opuestas son diferentes en valores absolutos ( ). En presencia de tal no reciprocidad, las corrientes de polarización de cualquier magnitud en el rango entre y pueden fluir sin resistencia en una sola dirección. ${\displaystyle I_{c+}}$ ${\displaystyle I_{c-}}$ ${\displaystyle I_{c+}\neq |I_{c-}|}$ ${\displaystyle I_{c+}}$ ${\displaystyle |I_{c-}|}$

Esta asimetría, caracterizada por la relación de las corrientes críticas , es la principal característica de mérito de los diodos Josephson y es objeto de nuevos desarrollos y optimizaciones. El efecto del diodo Josephson puede ocurrir, por ejemplo, en dispositivos superconductores donde se rompen la simetría de inversión temporal y la simetría de inversión . ^{[1] [2]} ${\displaystyle {\mathcal {A}}}$

Los diodos Josephson se pueden subdividir en dos categorías: los que requieren un campo (magnético) externo para ser asimétricos y los que no requieren un campo magnético externo, los llamados diodos Josephson “sin campo” (más atractivos para las aplicaciones). En 2021, el diodo Josephson se realizó en ausencia de campo magnético aplicado en un material no centrosimétrico ^[3] , seguido poco después por la primera realización del diodo Josephson de campo cero en un dispositivo con simetría de inversión ^{[4] .}

Historia

Desde hace décadas, los físicos han intentado construir dispositivos de unión Josephson con corrientes críticas asimétricas. Esto no implicaba nuevos principios físicos ni ingeniería avanzada de materiales (cuánticos), sino más bien trucos de ingeniería eléctrica como la combinación de varios JJ de una manera especial (por ejemplo, el SQUID 3JJ asimétrico) o JJ largos especialmente diseñados o matrices de JJ, donde el transporte de vórtices de Josephson era asimétrico en direcciones opuestas. Después de todo, si uno no mira dentro del dispositivo, sino que trata dicho dispositivo como una caja negra con dos electrodos, su característica de corriente-voltaje es asimétrica con . Estos dispositivos fueron especialmente populares en el contexto de los trinquetes Josephson, dispositivos utilizados para rectificar señales aleatorias o deterministas con promedio temporal cero. Estos dispositivos se pueden subdividir en varias clases: ${\displaystyle I_{c+}\neq |I_{c-}|}$

• Dispositivos asimétricos tipo SQUID ^[a] : propuestas ^[5] e implementaciones experimentales ^{[6] [7] [8] [9] [10]}
• JJ largos con corrientes asimétricas de desprendimiento de vórtices: implementaciones experimentales ^{[11] [12] [13] [14] [15]}
• Diodos fluxónicos Josephson ^{[16] [17] [18] [19]}
• Matrices JJ: propuestas ^[20] y experimentos. ^{[21] [22] [23]}
• JJ de longitud intermedia con propiedades/geometría especialmente moduladas: por ejemplo, -JJ sintonizables ^{[24] y} JJ en línea hechos de Nb ^[25] y YBCO ^[26] que muestran relaciones de asimetría de corriente crítica récord de . ${\displaystyle \varphi }$ ${\displaystyle {\mathcal {A}}\sim 10}$

Estructura atómica del diodo Josephson de campo libre utilizando NbSe ₂ y Nb ₃ Br ₈ . ^[3]

A partir de 2020 se observa una nueva ola de interés hacia los sistemas con transporte de supercorriente no recíproco basados ​​en nuevos materiales y principios físicos.

• En 2020, se demostró un efecto de diodo superconductor (ver más abajo) en una superred artificial [Nb|V|Ta|]. ^[27] (aún no un sistema Josephson). Se basó en la propuesta anterior ^[28] con un diseño similar a las uniones pn semiconductoras convencionales, pero utilizando superconductores dopados con huecos y electrones. El año siguiente, el diodo Josephson se demostró en la heteroestructura de van der Waals de NbSe 2 /Nb ₃ Br ₈ /NbSe ₂ . En esta heteroestructura, el enlace débil (barrera de Josephson) Nb ₃ Br ₈ es un material cuántico que se predice que es un aislante atómico obstruido / aislante de Mott y no es centrosimétrico , es decir, distingue entre electrones con momento positivo y negativo. ^{[3] [29] [30] [31]} Sin embargo, la asimetría de dicho dispositivo era muy baja ( ). ${\displaystyle N\times }$ ${\displaystyle {\mathcal {A}}\approx 1.07}$

• Se observó un diodo Josephson en un campo aplicado cero en un grafeno tricapa de ángulo de torsión pequeño, un sistema que posee simetría de inversión en el plano. ^[32] En este caso, el propio estado superconductor es responsable de la ruptura de la simetría de inversión temporal y de la simetría de inversión en el plano .

• En 2022, se demostró un diodo Josephson en una unión (matriz) simétrica Al|InAs(2DEG)|Al ^[33] , que exhibe una asimetría relevante para las aplicaciones. ${\displaystyle {\mathcal {A}}\approx 2}$

• El diodo Josephson basado en la heteroestructura Nb|Pt+YIG|Nb opera en un campo magnético cero y con la posibilidad de invertir su dirección demuestra una relación de asimetría similar a . ^[34] ${\displaystyle T\approx 2\,\mathrm {K} }$

• El diodo Josephson que utiliza el semimetal topológico NiTe ₂ como barrera, demuestra en . ^[35] ${\displaystyle {\mathcal {A}}\approx 2.3}$ ${\displaystyle T\approx 3.8\,\mathrm {K} }$

Revisión en profundidad de los desarrollos recientes. ^[36]

Efecto del diodo superconductor

El efecto del diodo superconductor es un ejemplo de superconductividad no recíproca , en la que un material es superconductor en una dirección y resistivo en la otra. Esto conduce a una rectificación de media onda cuando se aplica una corriente alterna de onda cuadrada . En 2020, este efecto se demostró en una superred artificial [Nb/V/Ta] _{n .} ^[27] Se cree que el fenómeno en el diodo Josephson se origina a partir de la tunelización asimétrica de Josephson. ^[3] A diferencia de los diodos de unión semiconductores convencionales, el efecto del diodo superconductor se puede lograr en uniones Josephson, así como en superconductores a granel sin unión. ^[36]

Teorías

Actualmente, el mecanismo preciso detrás del efecto del diodo Josephson no se entiende completamente. Sin embargo, han surgido algunas teorías que ahora están bajo investigación teórica. Hay dos tipos de diodos Josephson, relacionados con las simetrías que se rompen. El diodo Josephson de ruptura por inversión y el diodo Josephson de ruptura por inversión e inversión temporal . El requisito mínimo de ruptura de simetría para formar el diodo Josephson es la ruptura de simetría por inversión, y se requiere para obtener transporte no recíproco. ^[37] Un mecanismo propuesto se origina a partir de pares de Cooper de momento finito . ^{[1] [2]} También puede ser posible que el efecto del diodo superconductor en el JD se origine a partir de efectos de campo propio, pero esto todavía tiene que estudiarse rigurosamente. ^{[38] [39]}

Cifras de mérito

Dependiendo de la aplicación potencial, pueden ser importantes diferentes parámetros de los diodos Josephson, desde la temperatura de operación hasta su tamaño. Sin embargo, el parámetro más importante es la asimetría de las corrientes críticas (también llamada no reciprocidad ). Se puede definir como la relación adimensional entre las corrientes críticas mayores y menores.

${\displaystyle {\mathcal {A}}={\frac {\mathrm {max} (I_{c+},|I_{c-}|)}{\mathrm {min} (I_{c+},|I_{c-}|)}}}$

siempre positivo y que se encuentre en el rango de 1 (JJ simétrico) a (JJ infinitamente asimétrico). En cambio, algunos investigadores utilizan la llamada eficiencia , definida como ${\displaystyle \infty }$

${\displaystyle \eta =\left|{\frac {I_{c+}-|I_{c-}|}{I_{c+}+|I_{c-}|}}\right|={\frac {{\mathcal {A}}-1}{{\mathcal {A}}+1}}.}$

Se encuentra en el rango de 0 (sistema simétrico) a 1 (sistema infinitamente asimétrico). ^[b] Entre otras cosas, la eficiencia muestra el límite teórico de la eficiencia termodinámica (relación entre la potencia de salida y la de entrada) que puede alcanzar el diodo durante la rectificación. ${\displaystyle \eta }$

Intuitivamente, resulta claro que cuanto mayor sea la asimetría, mejor será el rendimiento del diodo. Un análisis cuantitativo ^{[14] [40]} mostró que una gran asimetría permite lograr rectificación en un amplio rango de amplitudes de corriente de excitación, una gran contracorriente (que corresponde a una carga pesada), contra la cual la rectificación aún es posible, y una gran eficiencia termodinámica (relación entre la potencia de CC de salida y la potencia de CA de entrada). ${\displaystyle {\mathcal {A}}}$

Por lo tanto, para crear un diodo que sea práctico, se debe diseñar un sistema con una alta asimetría. Las relaciones de asimetría (eficiencia) para diferentes implementaciones de diodos Josephson se resumen en la siguiente tabla.

Tamaño . Los diodos Josephson demostrados anteriormente eran bastante grandes (ver la tabla), lo que dificulta su integración en circuitos superconductores micro o nanoelectrónicos o en apilamiento. Los nuevos dispositivos basados ​​en heteroestructuras pueden tener dimensiones de escala de 100 nm, lo que es difícil de lograr utilizando enfoques anteriores con JJ largos , fluxones, etc.

Voltaje . Un parámetro importante de cualquier nanorectificador es el voltaje de CC máximo producido. Consulte la tabla para comparar.

Temperatura de funcionamiento . Lo ideal sería que el diodo funcionara en un amplio rango de temperaturas. Obviamente, el límite superior de la temperatura de funcionamiento viene dado por la temperatura de transición de los materiales superconductores utilizados para fabricar los diodos Josephson. En la tabla siguiente, indicamos la temperatura de funcionamiento para la que se indican los demás parámetros, como la asimetría. Lamentablemente, muchos diodos nuevos funcionan por debajo de los 4,2 K. ${\displaystyle T_{c}}$

Véase también

• Efecto Josephson
• ${\displaystyle \varphi }$Cruce Josephson

Referencias

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1. La palabra clave en la jerga moderna es SNAIL , que denota un SQUID con JJ en una rama y un JJ en la otra rama. En conjunto, SNAIL tiene una relación asimétrica de reflexión entre supercorriente y fase y, por lo tanto, diferentes corrientes críticas . ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle I_{c+}\neq |I_{c+}|}$
2. Nótese que algunos autores ^[35] dividen la diferencia de corrientes críticas por la corriente crítica promedio . Entonces la eficiencia tiene un rango de 0..2, y si citan 80%, en realidad es solo 40%. ${\displaystyle (I_{c+}+I_{c-})/2}$ ${\displaystyle \eta }$

1. Voltaje rectificado máximo alcanzado
2. Área rectangular mínima del dispositivo esencial para su funcionamiento, sin electrodos, etc.
3. Temperatura de funcionamiento para la que se dan cifras de mérito
4. Unión Josephson larga anular
5. Pila anular de uniones Josephson largas intrínsecas
6. Para accionamiento rectangular. Para accionamiento sinusoidal, el voltaje es (sustancialmente) menor.