La unión de túnel superconductor ( STJ ), también conocida como unión de túnel superconductor-aislante-superconductor ( SIS ), es un dispositivo electrónico que consta de dos superconductores separados por una capa muy delgada de material aislante . La corriente pasa a través de la unión mediante el proceso de túnel cuántico . El STJ es un tipo de unión Josephson , aunque no todas las propiedades del STJ se describen mediante el efecto Josephson.
Estos dispositivos tienen una amplia gama de aplicaciones, incluidos detectores de radiación electromagnética de alta sensibilidad , magnetómetros , elementos de circuitos digitales de alta velocidad y circuitos de computación cuántica .
Todas las corrientes que fluyen a través del STJ pasan a través de la capa aislante mediante el proceso de túnel cuántico . Hay dos componentes en la corriente de túnel. El primero es 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. La segunda 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 túnel de cuasipartículas, llamada corriente de subespacio, está presente incluso para voltajes inferiores al doble del espacio de energía debido a la promoción térmica de las cuasipartículas por encima del espacio.
Si el STJ se irradia con fotones de frecuencia , la curva de corriente-voltaje de CC mostrará tanto pasos de Shapiro como pasos debidos a la tunelización asistida por fotones. Los pasos 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 pasos desplazados en el voltaje en relación con el voltaje del espacio. [3]
El dispositivo normalmente se fabrica 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 (Al O ) con un espesor típico de varios nanómetros . Una vez restablecido el vacío, se deposita una capa superpuesta de metal superconductor, completando el STJ. Para crear una región de superposición bien definida, se utiliza comúnmente un procedimiento conocido como técnica de Niemeyer-Dolan . Esta técnica utiliza un puente suspendido de resistencia con una deposición de doble ángulo para definir la unión.
El aluminio se usa ampliamente para hacer uniones de túneles superconductores debido a su capacidad única para formar una capa de óxido aislante muy delgada (2-3 nm) sin defectos que cortocircuiten la capa aislante. La temperatura crítica superconductora del aluminio es de aproximadamente 1,2 kelvin (K). Para muchas aplicaciones, es conveniente disponer de un dispositivo que sea superconductor a una temperatura más alta, en particular a una temperatura superior al punto de ebullición del helio líquido , que es de 4,2 K a presión atmosférica. Una forma de lograrlo 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 realizar uniones de túneles. 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 delgada capa de aluminio está próxima al niobio más grueso, y el dispositivo resultante tiene una temperatura crítica superconductora superior a 4,2 K. [4] Los primeros trabajos utilizaron uniones de túnel de plomo, óxido de plomo y 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 estenopeicos) que cortocircuitan la barrera del túnel cuando el dispositivo se somete a un ciclo térmico entre temperaturas criogénicas y temperatura ambiente, por lo que El plomo ya no se utiliza mucho para fabricar STJ.
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 separación ( ). Una señal de alta frecuencia procedente 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 hagan túneles mediante el proceso de tunelización asistida por fotones. Este túnel asistido por fotones cambia la curva corriente-voltaje, creando una no linealidad que produce una salida a la diferencia de frecuencia de la señal astronómica y el oscilador local. Esta salida es una versión reducida de frecuencia 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 atraviesan 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 de interferencia cuántica superconductora o SQUID se basa en un bucle superconductor que contiene uniones de Josephson. Los SQUID son los magnetómetros más sensibles del mundo , capaces de medir un único cuanto de flujo magnético .
La computación cuántica superconductora utiliza circuitos basados en STJ, incluidos qubits de carga , qubits de flujo y qubits de fase .
El STJ es el elemento activo principal en los circuitos lógicos rápidos cuánticos de flujo único o RSFQ . [10]
Cuando se aplica una corriente de alta frecuencia a una unión Josephson, la corriente CA Josephson se sincronizará con la frecuencia aplicada dando lugar a regiones de voltaje constante en la curva IV del dispositivo (pasos de Shapiro). A los efectos 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 es una constante definida internacionalmente esencialmente igual a . Estos pasos proporcionan una conversión exacta de frecuencia a voltaje. Debido a que la frecuencia se puede medir con muy alta precisión, este efecto se utiliza como base del estándar de voltaje Josephson, que implementa la definición internacional de voltio " convencional ". [11] [12]
En el caso de que el STJ muestre un túnel Josephson asimétrico, la unión puede convertirse en un diodo Josephson . [13]
