ジョセフソンダイオード
超伝導量子材料ダイオード

ジョセフソンダイオード（JD）は、ジョセフソン接合（JJ）の特殊なタイプであり、一方向への（超）電流伝導が逆方向よりも良好です。言い換えれば、非対称な電流-電圧特性を有します。ジョセフソンダイオードは超伝導デバイスであるため、超電流輸送の非対称性が主な焦点となります。従来のジョセフソン接合とは異なり、反対方向のバイアスに対する臨界（最大）超電流とは、絶対値（ ）だけ異なります。このような非相反性が存在するため、 から までの範囲の任意の大きさのバイアス電流は、一方向にのみ抵抗なく流れます。 私 c + {\displaystyle I_{c+}} 私 c − {\displaystyle I_{c-}} 私 c + ≠ | 私 c − | {\displaystyle I_{c+}\neq |I_{c-}|} 私 c + {\displaystyle I_{c+}} | 私 c − | {\displaystyle |I_{c-}|}

この非対称性は臨界電流比によって特徴付けられ、ジョセフソンダイオードの主要な性能指数であり、新たな開発と最適化の対象となっている。ジョセフソンダイオード効果は、例えば時間反転対称性と反転対称性が破れた超伝導デバイスで発生することがある。[1] [2] あ {\displaystyle {\mathcal {A}}}

ジョセフソンダイオードは、外部（磁場）を非対称にする必要があるものと、外部磁場を必要としない、いわゆる「磁場フリー」ジョセフソンダイオード（応用面でより魅力的）の2つのカテゴリーに分類できます。2021年には、非中心対称材料において、磁場を印加しないジョセフソンダイオードが実現され [3] 、その後まもなく、反転対称デバイスにおいてゼロ磁場ジョセフソンダイオードが初めて実現されました[4] 。

歴史

数十年にわたって、物理学者たちは非対称臨界電流を持つジョセフソン接合デバイスの構築を試みてきました。これは、新しい物理原理や高度な（量子）材料工学を伴うものではなく、むしろ電気工学のトリック、たとえば、いくつかのJJ を特別な方法で組み合わせること（たとえば、非対称 3JJ SQUID）や、ジョセフソン渦の輸送が反対方向に非対称になる特別に設計された長い JJ または JJ アレイなどです。結局のところ、デバイスの内部を見ずに、そのようなデバイスを 2 つの電極を持つブラック ボックスとして扱うと、その電流電圧特性は に対して非対称になります。このようなデバイスは、ジョセフソン ラチェット（時間平均がゼロのランダム信号または確定的な信号を整流するために使用されるデバイス）のコンテキストで特に人気がありました。これらのデバイスは、いくつかのクラスに分類できます。 私 c + ≠ | 私 c − | {\displaystyle I_{c+}\neq |I_{c-}|}

  • 非対称SQUID型デバイス：[a]提案[5]と実験的実装[6] [7] [8] [9] [10]
  • 非対称渦糸デピンニング電流を伴う長いJJ：実験的実装[11] [12] [13] [14] [15] [16]
  • ジョセフソンフラクソンダイオード[17] [18] [19] [20] [11]
  • JJアレイ：提案[21]と実験[22] [23] [24]
  • 特別に調整された特性/形状を持つ中間の長さのJJ：例えば、調整可能な-JJ [25]やNb [26]とYBCO [27]で作られたインラインJJは、記録的な臨界電流非対称比を示しています。 φ {\displaystyle \varphi } あ 〜 10 {\displaystyle {\mathcal {A}}\sim 10}
NbSe2とNb3Br8を用いた電界フリージョセフソンダイオードの原子構造。 [ 3 ]

2020 年以降、新しい材料と物理的原理に基づく非相反超電流輸送システムへの関心の新たな波が見られます。

  • 2020 年には、超伝導ダイオード効果（下記参照）が人工の[Nb|V|Ta|] 超格子で実証された。[28]（まだジョセフソンシステムではない）。これは、従来の半導体 pn 接合に似た設計であるが、ホールと電子をドープした超伝導体を利用した以前の提案[29]に基づいていた。翌年、ジョセフソンダイオードは、NbSe 2 /Nb 3 Br 8 /NbSe 2のファンデルワールスヘテロ構造で実証された。このヘテロ構造では、弱いリンク（ジョセフソン障壁）Nb 3 Br 8は、妨害された原子絶縁体 /モット絶縁体であると予測される量子材料であり、非中心対称である、すなわち、正の運動量と負の運動量を持つ電子を区別する。[3] [30] [31] [32]ただし、このようなデバイスの非対称性は非常に低かった（）。 北 × {\displaystyle N\times } あ ≈ 1.07 {\displaystyle {\mathcal {A}}\approx 1.07}
  • 面内反転対称性を持つシステムである小さなねじれ角の三層グラフェンにおいて、印加磁場がゼロのジョセフソンダイオードが観測された。[33]この場合、超伝導状態自体が時間反転対称性と面内反転対称性の破れの原因である。
  • 2022年には対称Al|InAs(2DEG)|Al接合（アレイ）のジョセフソンダイオードが実証され、 [34]アプリケーションに関連する非対称性を示しました。 あ ≈ 2 {\displaystyle {\mathcal {A}}\approx 2}
  • Nb|Pt+YIG|Nbヘテロ構造に基づくジョセフソンダイオードはゼロ磁場で動作し、方向を反転させる可能性があり、で同様の非対称比を示します。[35] T ≈ 2 K {\displaystyle T\approx 2\,\mathrm {K} }
  • トポロジカル半金属NiTe2を障壁として用いたジョセフソンダイオードは、で実証されています。[ 36] あ ≈ 2.3 {\displaystyle {\mathcal {A}}\approx 2.3} T ≈ 3.8 K {\displaystyle T\approx 3.8\,\mathrm {K} }

最近の動向に関する詳細なレビュー。[37]

超伝導ダイオード効果

超伝導ダイオード効果は非可逆超伝導の一例であり、物質は一方向に超伝導性を示し、他方向には抵抗性を示す。このため、矩形波交流電流を印加すると半波整流が生じる。2020年には、この効果は人工の[Nb/V/Ta] n超格子で実証された。[28]ジョセフソンダイオードにおけるこの現象は、非対称ジョセフソントンネル効果に起因すると考えられている。[3]従来の半導体接合ダイオードとは異なり、超伝導ダイオード効果はジョセフソン接合だけでなく、接合のないバルク超伝導体でも実現可能である。[37]

理論

現在、ジョセフソンダイオード効果の正確なメカニズムは完全には解明されていません。しかし、いくつかの理論が浮上し、現在理論的に検討されています。ジョセフソンダイオードには、対称性が破れる2つの種類があります。反転対称性の破れを生じるジョセフソンダイオードと、反転対称性の破れと時間反転を生じるジョセフソンダイオードです。ジョセフソンダイオードを形成するための最小限の対称性の破れの要件は反転対称性の破れであり、非相反輸送を得るために必要です。[38]提案されているメカニズムの1つは、有限運動量クーパー対に由来します。[1] [2]また、ジョセフソンダイオードにおける超伝導ダイオード効果は自己場効果に起因する可能性もありますが、これはまだ厳密に研究される必要があります。 [39] [40]

功績の数字

ジョセフソンダイオードの潜在的な用途に応じて、動作温度からサイズまで、様々なパラメータが重要になります。しかし、最も重要なパラメータは臨界電流の非対称性（非相反性とも呼ばれます）です。これは、大きい臨界電流と小さい臨界電流の無次元比として定義できます。

あ ＝ メートル 1つの × （ 私 c + 、 | 私 c − | ） メートル 私 n （ 私 c + 、 | 私 c − | ） {\displaystyle {\mathcal {A}}={\frac {\mathrm {max} (I_{c+},|I_{c-}|)}{\mathrm {min} (I_{c+},|I_{c-}|)}}}

は常に正で、1（対称JJ）から（無限に非対称な1）までの範囲にある。代わりに、一部の研究者は、いわゆる効率性を用いて次のように定義する。 ∞ {\displaystyle \infty}

η ＝ | 私 c + − | 私 c − | 私 c + + | 私 c − | | ＝ あ − 1 あ + 1 。 {\displaystyle \eta =\left|{\frac {I_{c+}-|I_{c-}|}{I_{c+}+|I_{c-}|}}\right|={\frac {{\mathcal {A}}-1}{{\mathcal {A}}+1}}.}}

これは0（対称システム）から1（無限に非対称なシステム）の範囲にあります。 [b] 効率は、ダイオードが整流時に到達できる熱力学的効率（出力と入力電力の比）の理論的な限界を示します。 η {\displaystyle \eta}

直感的に、非対称性が大きいほどダイオードの性能が向上することは明らかです。定量分析[15] [41]では、大きな非対称性によって、広い駆動電流振幅範囲で整流が可能になり、大きな逆電流（重負荷に対応）が発生しても整流が維持され、熱力学的効率（出力DC電力と入力AC電力の比）が高くなることが示されています。 あ {\displaystyle {\mathcal {A}}}

したがって、実用的なダイオードを作成するには、高い非対称性を持つシステムを設計する必要があります。ジョセフソンダイオードの様々な実装における非対称比（効率）は、以下の表にまとめられています。

サイズ。これまでに実証されたジョセフソンダイオードはかなり大きく（表を参照）、マイクロまたはナノ電子超伝導回路への統合や積層化を妨げています。ヘテロ構造に基づく新しいデバイスは、100nmスケールの寸法を実現できる可能性がありますが、これは長いJJやフラクソンなど を用いた従来の手法では実現が困難です。

電圧。ナノ整流器の重要なパラメータは、生成される最大直流電圧です。比較については表をご覧ください。

動作温度。理想的には、ダイオードを広い温度範囲で動作させたいものです。当然のことながら、動作温度の上限は、ジョセフソンダイオードの製造に使用される超伝導材料の転移温度によって決まります。下の表では、非対称性などの他のパラメータを記載した動作温度を示しています。残念ながら、多くの新しいダイオードは4.2K未満で動作します。 T c {\displaystyle T_{c}}

さまざまなジョセフソンダイオードの性能指数
参照 タイプ あ {\displaystyle {\mathcal {A}}} η {\displaystyle \eta} V メートル 1つの × （ μ V ） {\displaystyle V_{\mathrm {max} }(\mathrm {\mu V} )} [α] 面積( ) [β] μ メートル 2 {\displaystyle \mathrm {\mu m^{2}} } T o p {\displaystyle T_{\mathrm {op} }} （K）[γ]
カラペラ（2001）[12] ALJJ [δ] 1.2 9% 20 44500 6.5
ベック（2005）[14] ALJJ [δ] Nb-AlO-Nb 2.2 38% 20 5700 6
王（2009）[16] ASILJJ [ε] BSCCO 2.8 47% 100 800 4.2
クヌフィンケ（2012）[15] ALJJ [δ] Nb-AlO-Nb 1.6 23% 40 4900 4.2
ステルク（2005、2009）[8] [9] 3JJ-SQUID Nb-AlO-Nb 2.5 43% 25 1125 4.2
パオルッチ（2023）[10] 2JJ イカ 3 50% 8 72 0.4
メンディット（2016）[25] φ {\displaystyle \varphi } -JJ Nb-AlO-NbCu-Nb 2.5 43% 150 2000 1.7
ゴロッド（2022）[26] インライン Nb JJ 4(10) 60%(82%) 8 7.2 7
シュミット（2024）[27] インラインYBCO JJ 7 75% 212 1 4.2
ウー（2022）[3] NbSe 2 -Nb 3 Br 8 -NbSe 2 1.07 3.4% 1600 [ζ] 3.7 0.02
チョン（2022）[35] Nb-Pt+YIG-Nb 2.07 35% - 〜4 2
パル（2022）[36] Nb-Ti-NiTe 2 -Ti-Nb 2.3 40% 8 [ζ] 〜3 3.8
バウムガルトナー（2022）[34] Al-2DEG-Al 2 30% - 7 0.1
ゴーシュ（2024）[42] ねじれたBSCCOフレーク 4 60% 25 [ζ] 100 80

参照

参考文献

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  1. ^ 現代の専門用語ではSNAILが使われ、これは一方のブランチにJJを2つ、もう一方のブランチにJJを1つ備えたSQUIDを指します。全体としてSNAILは反射非対称の超伝導電流位相関係を持ち、したがって臨界電流も異なります。 北 {\displaystyle N} 私 c + ≠ | 私 c + | {\displaystyle I_{c+}\neq |I_{c+}|}
  2. ^ 一部の著者[36]は、臨界電流の差を平均臨界電流で割っていることに注意してください。その場合、効率は0..2の範囲となり、80%と記載されている場合でも、実際には40%に過ぎません。 （ 私 c + + 私 c − ） / 2 {\displaystyle (I_{c+}+I_{c-})/2} η {\displaystyle \eta}
  1. ^ 最大整流電圧を達成
  2. ^ 電極などを除いた、デバイスの動作に不可欠な最小限の長方形領域。
  3. ^ 性能指標が示される動作温度
  4. ^ abc 環状長ジョセフソン接合
  5. ^ 固有長ジョセフソン接合の環状スタック
  6. ^ abc 矩形波駆動の場合。正弦波駆動の場合、電圧は（大幅に）低くなります。
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