La unión túnel superconductora ( STJ ), también conocida como unión túnel superconductor-aislante-superconductor ( SIS ), es un dispositivo electrónico que consta de dos superconductores separados por una capa muy fina de material aislante . La corriente pasa a través de la unión mediante el proceso de efecto túnel cuántico . La STJ es un tipo de unión Josephson , aunque no todas las propiedades de la STJ están descritas por el efecto Josephson.
Estos dispositivos tienen una amplia gama de aplicaciones, incluidos detectores de alta sensibilidad de radiación electromagnética , magnetómetros , elementos de circuitos digitales de alta velocidad y circuitos de computación cuántica .
Todas las corrientes que fluyen a través de la STJ pasan a través de la capa aislante mediante el proceso de tunelización cuántica . Hay dos componentes de la corriente de tunelización. El primero es el de la tunelización de pares de Cooper . Esta supercorriente se describe mediante las relaciones de Josephson de ca y cc , predichas por primera vez por Brian David Josephson en 1962. [1] Por esta predicción, Josephson recibió el premio Nobel de física en 1973. El segundo es la corriente de cuasipartículas , que, en el límite de temperatura cero, surge cuando la energía del voltaje de polarización excede el doble del valor de la brecha de energía superconductora Δ. A temperatura finita, una pequeña corriente de tunelización de cuasipartículas, llamada corriente de subbrecha, está presente incluso para voltajes menores al doble de la brecha de energía debido a la promoción térmica de las cuasipartículas por encima de la brecha.
Si la STJ se irradia con fotones de frecuencia , la curva de corriente-voltaje de CC exhibirá tanto escalones de Shapiro como escalones debidos a la tunelización asistida por fotones. Los escalones de Shapiro surgen de la respuesta de la supercorriente y ocurren a voltajes iguales a , donde es la constante de Planck , es la carga del electrón y es un número entero . [2] La tunelización asistida por fotones surge de la respuesta de las cuasipartículas y da lugar a escalones desplazados en voltaje por en relación con el voltaje de brecha. [3]
El dispositivo se fabrica típicamente depositando primero una película delgada de un metal superconductor como el aluminio sobre un sustrato aislante como el silicio . La deposición se realiza dentro de una cámara de vacío . Luego se introduce gas oxígeno en la cámara, lo que da como resultado la formación de una capa aislante de óxido de aluminio (Al2O3 ) con un espesor típico de varios nanómetros . Una vez que se restablece el vacío, se deposita una capa superpuesta de metal superconductor, completando la unión de superposición. Para crear una región de superposición bien definida, se utiliza comúnmente un procedimiento conocido como la técnica de Niemeyer-Dolan . Esta técnica utiliza un puente suspendido de resina con una deposición de doble ángulo para definir la unión.
El aluminio se utiliza ampliamente para hacer uniones túnel superconductoras debido a su capacidad única para formar una capa de óxido aislante muy delgada (2-3 nm) sin defectos que provoquen cortocircuito en la capa aislante. La temperatura crítica superconductora del aluminio es de aproximadamente 1,2 K. Para muchas aplicaciones, es conveniente tener un dispositivo que sea superconductor a una temperatura más alta, en particular a una temperatura por encima del punto de ebullición del helio líquido , que es de 4,2 K a presión atmosférica. Un enfoque para lograr esto es utilizar niobio , que tiene una temperatura crítica superconductora en forma masiva de 9,3 K. Sin embargo, el niobio no forma un óxido que sea adecuado para hacer uniones túnel. Para formar un óxido aislante, la primera capa de niobio se puede recubrir con una capa muy delgada (aproximadamente 5 nm) de aluminio, que luego se oxida para formar una barrera de túnel de óxido de aluminio de alta calidad antes de que se deposite la capa final de niobio. La fina capa de aluminio está próxima a la de niobio, más gruesa, y el dispositivo resultante tiene una temperatura crítica superconductora superior a 4,2 K. [4] Los primeros trabajos utilizaban uniones túnel de plomo -óxido de plomo-plomo. [5] El plomo tiene una temperatura crítica superconductora de 7,2 K en forma masiva, pero el óxido de plomo tiende a desarrollar defectos (a veces llamados defectos de orificio) que cortocircuitan la barrera del túnel cuando el dispositivo se cicla térmicamente entre temperaturas criogénicas y temperatura ambiente, por lo que el plomo ya no se utiliza ampliamente para hacer uniones túnel.
Los STJ son los receptores heterodinos más sensibles en el rango de frecuencia de 100 GHz a 1000 GHz y, por lo tanto, se utilizan para radioastronomía en estas frecuencias. [6] En esta aplicación, el STJ está polarizado en CC a un voltaje justo por debajo del voltaje de brecha ( ). Una señal de alta frecuencia de un objeto astronómico de interés se enfoca en el STJ, junto con una fuente de oscilador local . Los fotones absorbidos por el STJ permiten que las cuasipartículas realicen un túnel a través del proceso de tunelización asistida por fotones. Esta tunelización asistida por fotones cambia la curva de corriente-voltaje, creando una no linealidad que produce una salida en la frecuencia de diferencia de la señal astronómica y el oscilador local. Esta salida es una versión convertida a frecuencia descendente de la señal astronómica. [7] Estos receptores son tan sensibles que una descripción precisa del rendimiento del dispositivo debe tener en cuenta los efectos del ruido cuántico . [8]
Además de la detección heterodina , los STJ también se pueden utilizar como detectores directos. En esta aplicación, el STJ está polarizado con un voltaje de CC menor que el voltaje de separación. Un fotón absorbido en el superconductor rompe los pares de Cooper y crea cuasipartículas . Las cuasipartículas hacen un túnel a través de la unión en la dirección del voltaje aplicado, y la corriente de túnel resultante es proporcional a la energía del fotón. Los dispositivos STJ se han empleado como detectores de fotón único para frecuencias de fotones que van desde los rayos X hasta el infrarrojo . [9]
El dispositivo superconductor de interferencia cuántica o SQUID se basa en un bucle superconductor que contiene uniones Josephson. Los SQUID son los magnetómetros más sensibles del mundo , capaces de medir un solo cuanto de flujo magnético .
La computación cuántica superconductora utiliza circuitos basados en STJ, incluidos qubits de carga , qubits de flujo y qubits de fase .
La STJ es el elemento activo principal en circuitos lógicos rápidos cuánticos de flujo único o RSFQ . [10]
Cuando se aplica una corriente de alta frecuencia a una unión Josephson, la corriente alterna Josephson se sincronizará con la frecuencia aplicada, lo que dará lugar a regiones de voltaje constante en la curva I–V del dispositivo (pasos de Shapiro). Para los fines de los estándares de voltaje, estos pasos ocurren en los voltajes donde es un número entero, es la frecuencia aplicada y la constante de Josephson =483 597 .8484... × 10 9 Hz⋅V −1 11] es una constante que es igual a . Estos pasos proporcionan una conversión exacta de frecuencia a voltaje. Debido a que la frecuencia se puede medir con una precisión muy alta, este efecto se utiliza como base del estándar de voltaje de Josephson, que implementa la definición del SI del voltio . [12] [13]
En el caso de que la STJ muestre un túnel Josephson asimétrico, la unión puede convertirse en un diodo Josephson . [14]
