Выпуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, выпуск 1 (2020)

Джозефсоновские переходы низкой ёмкости

А. П. Шаповалов$^{1,2}$, П. Февр$^3$, У. Илмаз$^3$, В. И. Шнырков$^4$, М. А. Белоголовский$^{1,5}$, А. А. Кордюк$^{1,4}$

$^1$Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина
$^2$Институт сверхтвёрдых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, ул. Автозаводская, 2, 04074 Киев, Украина
$^3$Савойский университет Монблан, IMEP-LAHC, Научный кампус, 73376 Ле Бурже-дю-Лак, Франция
$^4$Киевский академический университет НАН Украины и МОН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина
$^5$Донецкий национальный университет имени Василия Стуса, ул. 600-летия, 21, 21021 Винница, Украина

Получена 02.12.2019; окончательный вариант — 13.02.2020 Скачать PDF logo PDF

Аннотация
Эффект Джозефсона, — пример макроскопического квантового явления, — наблюдается в трёхслойных гетероструктурах, образованных двумя сверхпроводниками, соединёнными слабым связующим звеном, которое обычно состоит из диэлектрического барьера толщиной 1–2 нм. Традиционный способ моделирования динамики таких систем основан на эквивалентной схеме, которая включает в себя три параллельных элемента: сугубо сверхпроводящий элемент с определённой зависимостью сверхтока от джозефсоновской разности фаз, резистор $R$ и конденсатор $C$. В этом кратком обзоре мы анализируем практическую проблему уменьшения ёмкости перехода при сохранении или незначительном ухудшении других характеристик. Приведено несколько аргументов, поясняющих, почему ёмкость должна быть уменьшена и как она будет влиять на параметры сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков (СКВИДов). Для решения проблемы переходов низкой ёмкости мы предлагаем слабые связи на основе аморфного кремниевого слоя, легированного наноразмерными металлическими каплями, которые находятся между двумя сверхпроводящими электродами из сплава Mo–Re.

Ключевые слова: переходы Джозефсона, RCSJ-модель, низкая ёмкость, легированные полупроводниковые барьеры, электроды из сплава Mo–Re, СКВИД, SFQ-логика.

Citation: A. P. Shapovalov, P. Febvre, U. Yilmaz, V. I. Shnyrkov, M. O. Belogolovskii, and O. A. Kordyuk, Low-Capacitance Josephson Junctions, Progress in Physics of Metals, 21, No. 1: 3–25 (2020); doi: 10.15407/ufm.21.01.003

Цитированная литература (59)  
  1. B. D. Josephson, Phys. Lett., 1: 251 (1962). https://doi.org/10.1016/0031-9163(62)91369-0
  2. K. K. Likharev, Dynamics of Josephson Junctions and Circuits (New York: Gordon and Breach: 1986).
  3. J. A. Blackburn, M. Cirillo, and N. Grønbech-Jensen, Phys. Rep., 611: 1 (2016). https://doi.org/10.1016/j.physrep.2015.10.010
  4. V. Lacquaniti, D. Andreone, N. De Leo, M. Fretto, A. Sosso, and M. Belogolovskii, IEEE Trans. Appl. Supercond., 19: 234 (2009). https://doi.org/10.1109/TASC.2009.2019072
  5. T. Yamamoto, S. Suzuki, K. Takahashi, Y. Yoshisato, and S. Maekawa, Appl. Phys. Lett., 66: 1000 (1995). https://doi.org/10.1063/1.113585
  6. A. A. Golubov, M. Yu. Kupriyanov, and E. Il’ichev, Rev. Mod. Phys., 76: 411 (2004). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.76.411
  7. L. Yu, N. Newman, J. M. Rowell, and T. Van Duzer, IEEE Trans. Appl. Supercond., 17: 3886 (2005). https://doi.org/10.1109/TASC.2005.854302
  8. L. Yu, R. Gandikota, R. K. Singh, L. Gu, D. J. Smith, X. Meng, X. Zeng, T. Van Duzer, J. M. Rowell, and N. Newman, Supercond. Sci. Technol., 19: 719 (2006). https://doi.org/10.1088/0953-2048/19/8/006
  9. A. B. Kaul, S. R. Whiteley, T. Van Duzer, L. Yu, N. Newman, and J. R. Rowell, Appl. Phys. Lett., 78: 99 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1337630
  10. D. Olaya, B. Baek, P. D. Dresselhaus, and S. P. Benz, IEEE Trans. Appl. Supercond., 18: 1797 (2008). https://doi.org/10.1109/TASC.2008.2007652
  11. D. Olaya, P. D. Dresselhaus, S. P. Benz, J. Bjarnason, and E. N. Grossman, IEEE Trans. Appl. Supercond., 19: 144 (2009). https://doi.org/10.1109/TASC.2009.2018254
  12. D. Olaya, P. D. Dresselhaus, S. P. Benz, A. Herr, Q. P. Herr, A. G. Ioannidis, D. L. Miller, and A. W. Kleinsasser, Appl. Phys. Lett., 96: 213510 (2010). https://doi.org/10.1063/1.3432065
  13. D. I. Sheka and A. N. Kokol, phys. stat. sol. (b), 76: 413 (1976). https://doi.org/10.1002/pssb.2220760145
  14. A. P. Shapovalov, V. E. Shaternik, O. G. Turutanov, V. Yu. Lyakhno, and V. I. Shnyrkov, Low Temp. Phys., 45: 776 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5111306
  15. V. Shaternik, A. Shapovalov, M. Belogolovskii, O. Suvorov, S. Döring, S. Schmidt, and P. Seidel, Mater. Res. Exp., 1: 026001 (2014). https://doi.org/10.1088/2053-1591/1/2/026001
  16. V. Lacquaniti, C. Cassiago, N. De Leo, M. Fretto, A. Sosso, P. Febvre, V. Shaternik, A. Shapovalov, O. Suvorov, M. Belogolovskii, and P. Seidel, IEEE Trans. Appl. Supercond., 26: 1100505 (2016). https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2535141
  17. M. Belogolovskii, E. Zhitlukhina, V. Lacquaniti, N. De Leo, M. Fretto, and A. Sosso, Low Temp. Phys., 43: 756 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4995622
  18. V. Ambegaokar and A. Baratoff, Phys. Rev. Lett., 10: 486 (1963). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.10.486
  19. V. Shaternik, M. Belogolovskii, T. Prikhna, A. Shapovalov, O. Prokopenko, D. Jabko, O. Kudrja, O. Suvorov, and V. Noskov, Phys. Procedia, 36: 94 (2012). https://doi.org/10.1016/j.phpro.2012.06.052
  20. A. L. Gudkov, M. Yu. Kupriyanov, and K. K. Likharev, Sov. Phys. JETP, 67: 1478 (1988).
  21. A. L. Gudkov, M. Yu. Kupriyanov, and A. N. Samus’, J. Exp. Theor. Phys. 114: 818 (2012). https://doi.org/10.1134/S1063776112030144
  22. V. E. Shaternik, A. P. Shapovalov, A. V. Suvorov, N. A. Skoryk, and M. A. Belogolovskii, Low Temp. Phys., 42: 426 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4951668
  23. V. E. Shaternik, A. P. Shapovalov, T. A. Prikhna, O. Y. Suvorov, M. A. Skorik, V. I. Bondarchuk, and V. E. Moshchil, IEEE Trans. Appl. Supercond., 27: 1800507 (2017). https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2636255
  24. V. E. Shaternik, A. P. Shapovalov, and A. Yu. Suvorov, Low Temp. Phys., 43: 877 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4995640
  25. J. Talvacchio, M. A. Janocko, and J. Greggi, J. Low Temp. Phys., 64: 395 (1986). https://doi.org/10.1007/BF00681709
  26. S. M. Deambrosis, G. Keppel, V. Ramazzo, C. Roncolato, R. G. Sharma, and V. Palmieri, Physica C, 441: 108 (2006). https://doi.org/10.1016/j.physc.2006.03.047
  27. E. Rudenko, D. Solomakha, I. Korotash, P. Febvre, E. Zhitlukhina, and M. Belogolovskii, IEEE Trans. Applied Supercond., 27: 1800105 (2017). https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2630033
  28. T. Shang, D. J. Gawryluk, J. A. T. Verezhak, E. Pomjakushina, M. Shi, M. Medarde, J. Mesot, and T. Shiroka, Phys. Rev. Materials, 3: 024801 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.024801
  29. R. Gaudenzi, O. Island, J. de Bruijckere, E. Burzur, T. M. Klapwijk, and H. S. J. van der Zant, Appl. Phys. Lett., 106: 222602 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4922042
  30. A. Kalenyuk, A. Shapovalov, V. Shnyrkov, V. Shaternik, M. Belogolovskii, P. Febvre, F. Schmidl, and P. Seidel, J. Phys. Conf. Ser. (2020) (in press).
  31. R. L. Fagaly, Applied Superconductivity. Handbook on Devices and Applications (Ed. P. Seidel) (Weinheim: Wiley-VCH: 2015), p. 952.
  32. A. Shoit, M. Aoyagi, S. Kosaka, F. Shinoki, and H. Hayakawa, Appl. Phys. Lett., 46: 1098 (1985). https://doi.org/10.1063/1.95774
  33. M. Gurvich, M. A. Washington, and M. H. Huggins, Appl. Phys. Lett., 42: 472 (1983). https://doi.org/10.1063/1.93974
  34. M. Aoyagi, A. Shoit, S. Kosaka, F. Shinoki, H. Nakagawa, S. Takada, and H. Hayakawa, Jpn. J. Appl. Phys., 23: L916 (1984). https://doi.org/10.1143/JJAP.23.L916
  35. A. P. Shapovalov, V. E. Shaternik, O. G. Turutanov, O.Y. Suvorov, A. A. Kalenyuk, V. Y. Lyakhno, U. Yilmaz, P. Febvre, and V. I. Shnyrkov, Appl. Nanosci. (2020). https://doi.org/10.1007/s13204-020-01254-9
  36. J. Clarke and F. K. Wilhelm, Nature, 453: 1031 (2008). https://doi.org/10.1038/nature07128
  37. K. Inomata, Z. Lin, K. Koshino, W. D. Oliver, J.-S. Tsai, T. Yamamoto, and Y. Nakamura, Nat. Commun., 7: 12303 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms12303
  38. V. I. Shnyrkov, W. Yangcao, A. A. Soroka, O. G. Turutanov, and V. Yu. Lyakhno, Low Temp. Phys., 44: 213 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5024538
  39. A. Lupaşcu, S. Saito, T. Picot, P. C. de Groot, C. J. P. M. Harmans, and J. E. Mooij, Nature Phys. 3, 119 (2007). https://doi.org/10.1038/nphys509
  40. V. I. Shnyrkov and G. M. Tsoi, Principal and Applications of Superconducting Quantum Interference Devices (Ed. A. Barone) (Singapore: World Scientific: 1992), p. 77.
  41. K. K. Likharev and V. K. Semenov, IEEE Trans. Appl. Supercond., 1: 3 (1991). https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2630033
  42. Niobium Integrated Circuit Fabrication, Process #03-10-45, Design Rules, Revision #25, 12/12/2012, Hypres, Inc. (2012).
  43. P. Febvre, Microwave Superconducting Electronics with Josephson Devices: from Ultrasensitive Detectors for Radioastronomy to the Future Applications for the Novel Information and Communication Technologies, Habilitation à Diriger des Recherches (Le Bourget du lac, France: Université Savoie Mont Blanc: 16 May 2003).
  44. J. Kunert, O. Brandel, S. Linzen, O. Wetzstein, H. Toepfer, T. Ortlepp, and H.-G. Meyer, IEEE Trans. Appl. Supercond., 23: 1101707 (2013). https://doi.org/10.1109/TASC.2013.2265496
  45. J. Kunert, R. Ijsselsteijn, E. Il’ichev, O. Brandel, G. Oelsner, S. Anders, V. Schultze, R. Stolz, and H.-G. Meyer, Low Temp. Phys., 43: 785 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4995626
  46. S. K. Tolpygo, V. Bolkhovsky, D. E. Oates, R. Rastogi, S. Zarr, A. L. Day, T. J. Weir, A. Wynn, and L. M. Johnston, IEEE Trans. Appl. Supercond., 28: 1100212 (2018). https://doi.org/10.1109/TASC.2018.2809442
  47. S. K. Tolpygo, V. Bolkhovsky, T. J. Weir, A. Wynn, D. E. Oates, L. M. Johnson, and M. A. Gouker, IEEE Trans. Appl. Supercond., 26: 1100110 (2016). https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2519388
  48. S. K. Tolpygo, D. Yohannes, R. T. Hunt, J. A. Vivalda, D. Donnelly, D. Amparo, and A. F. Kirichenko, IEEE Trans. Appl. Supercond., 17: 946 (2007). https://doi.org/10.1109/TASC.2007.898571
  49. M. Hidaka, S. Nagasawa, K. Hinode, and T. Satoh, IEICE Trans. Electronics, E91-C: 318 (2008). https://doi.org/10.1093/ietele/e91-c.3.318
  50. S. Nagasawa, T. Satoh, Y. Kitagawa, M. Hidaka, H. Akaike, A. Fujimaki, K. Takagi, N. Takagi, and N. Yoshikawa, Physica C: Superconductivity, 469: 1578 (2009). https://doi.org/10.1016/j.physc.2009.05.219
  51. S. Nagasawa and M. Hidaka, J. Phys.: Conf. Ser., 871:012065 (2017). https://doi.org/10.1088/1742-6596/871/1/012065
  52. D. T. Yohannes, R. T. Hunt, J. A. Vivalda, D. Amparo, A. Cohen, I. V. Vernik, and A. F. Kirichenko, IEEE Trans. Appl. Supercond., 25: 1100405 (2015). https://doi.org/10.1109/TASC.2014.2365562
  53. P. Feautrier, M. Hanus, and P. Febvre, Supercond. Sci. Technol., 5: 564 (1992) https://doi.org/10.1088/0953-2048/5/9/008
  54. M. Maezawa, M. Aoyagi, H. Nakagawa, I. Kurosawa, and S. Takada, Appl. Phys. Lett., 66: 2134 (1995). https://doi.org/10.1063/1.113927
  55. J.-C. Villegier, B. Delaet, V. Larrey, P. Febvre, J. W. Tao, and G. Angenieux, Physica C: Superconductivity, 326–327: 133 (1999). https://doi.org/10.1016/S0921-4534(99)00410-4
  56. T. Ortlepp and H. F. Uhlmann, Supercond. Sci. Technol., 17: S112 (2004). https://doi.org/10.1088/0953-2048/17/5/004
  57. T. Plecenik, M. Tomášek, M. Belogolovskii, M. Truchly, M. Gregor, J. Noskovič, M. Zahoran, T. Roch, I. Boylo, M. Špankova, Š. Chromik, P. Kúš, and A. Plecenik, J. Appl. Phys., 111: 056106 (2012). https://doi.org/10.1063/1.3691598
  58. M. Truchly, T. Plecenik, E. Zhitlukhina, M. Belogolovskii, M. Dvoranova, P. Kúš, and A. Plecenik, J. Appl. Phys., 120:185302 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4967392
  59. G. U. Kamble, N. P. Shetake, S. D. Yadav, A. M. Teli, D. S. Patil, S. A. Pawar, M. M. Karanjkar, P. S. Patil, J. C. Shin, M. K. Orlowski, R. K. Kamat, and T. D. Dongale, Int. Nano Lett., 8: 263 (2018). https://doi.org/10.1007/s40089-018-0249-z

Лицензия Creative Commons
Эта статья доступна по Лицензии Creative Commons “Attribution-NoDerivatives” («атрибуция — без производных статей») 4.0 Всемирная
© Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, 2020