Випуски УФМ $\rightarrow$ Том 21, випуск 1 (2020)

Джозефсонові переходи низької ємности

А. П. Шаповалов$^{1,2}$, П. Февр$^3$, У. Їлмаз$^3$, В. І. Шнирков$^4$, М. О. Білоголовський$^{1,5}$, О. А. Кордюк$^{1,4}$

$^1$Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^2$Інститут надтвердих матеріалів ім. В. М. Бакуля НАН України, вул. Автозаводська, 2, 04074 Київ, Україна
$^3$Савойський університет Монблан, IMEP-LAHC, Науковий кампус, 73376 Ле Бурже-дю-Лак, Франція
$^4$Київський академічний університет НАН України і МОН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Украина
$^5$Донецький національний університет імені Василя Стуса, вул. 600-річчя, 21, 21021 Вінниця, Україна

Отримано 02.12.2019; остаточний варіант — 13.02.2020 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Джозефсонів ефект, — приклад макроскопічного квантового явища, — спостерігається у тришарових гетероструктурах, утворених двома надпровідниками, сполученими слабкою ланкою, яка зазвичай складається з ізоляційного бар’єру товщиною у 1–2 нм. Традиційний спосіб моделювання динаміки таких систем базується на еквівалентній схемі, що включає три паралельних елементи: суто надпровідний елемент з певною залежністю надструму від Джозефсонової ріжниці фаз, резистор $R$ і конденсатор $C$. У цьому короткому огляді ми аналізуємо практичну проблему зменшення ємности переходу при збереженні або незначному погіршенні інших характеристик. Наведено декілька арґументів, які пояснюють, чому ємність має бути зменшеною та як вона впливатиме на параметри надпровідного квантового інтерферометра. Задля вирішення проблеми переходів низької ємности ми пропонуємо слабкі ланки, створені з аморфного кремнійового прошарку, леґованого нанорозмірними металевими крапельками, між двома надпровідними електродами зі стопу Mo–Re.

Ключові слова: Джозефсонові переходи, RCSJ-модель, низька ємність, леґовані напівпровідникові бар’єри, електроди зі стопу Mo–Re, НКВІД, SFQ-логіка.

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

Цитована література (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

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, 2020