[論文レビュー] Josephson effect in Superconductors and Superfluids

Anna Posazhennikova|ArXiv.org|Aug 12, 2009

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、超伝導体、超流動3He、超流動4He、および超低温ボーズ＝アインシュタイン凝縮系におけるジョセフソン効果について、包括的な理論的・実験的レビューを提供する。マクロな位相整合が、絶縁体または弱い結合境界を越えるコープアー対またはボーズ粒子対の干渉的トンネルを可能にし、直流および交流ジョセフソン効果を生じさせることを説明している。特に、超流動3Heおよび4Heにおける実験的検証では、圧力に比例する線形な周波数依存性と、ジョセフソン振動の直接観測が得られている。

ABSTRACT

We present a brief pedagogical introduction into the basic physics of the Josephson effect in superconductors and Bose-Einstein condensates. We show how the critical Josephson current between two superconductors can be derived microscopically. We also shortly discuss the Josephson effect in superfluid Helium.

研究の動機と目的

• 超伝導体、超流動3He、超流動4He、および超低温原子ボーズ＝アインシュタイン凝縮系を含む多様な量子系にわたるジョセフソン効果の理論的枠組みを統一すること。
• マクロな位相整合の起源を説明し、それらが弱い結合を越えるコープアー対またはボーズ粒子対の干渉的トンネルを可能にする役割を明らかにすること。
• 超伝導接合における直流および交流ジョセフソン効果を分析し、超流動および超低温原子系への形式の拡張を行うこと。
• 超流動3Heおよび4Heにおけるジョセフソン効果の実験的実現をレビューし、ジョセフソン振動の直接観測および圧力による周波数制御を含めること。
• メソスコピック構造（例：S-F-Sや量子ドット-超伝導接合）における非平衡ダイナミクス、プロキシミティ効果、および量子干渉の役割を探索すること。

提案手法

• 時間に依存するジョセフソン効果を記述するため、ゴルコフ＝ケルディシュ形式および非平衡グリーン関数を用いる。
• BCS理論と位相勾配アプローチを適用し、電流密度 j = (Nseħ/2m)∇φ を導出し、接合を貫る位相差と電流の関係を明示する。
• 超流動系へのジョセフソン関係の拡張において、電圧を化学ポテンシャルの差に置き換え、3Heおよび4Heでは圧力を制御パラメータとして用いる。
• 2井戦ポテンシャルとグロス＝ピタエフソフ方程式を用いてボーズ＝アインシュタイン凝縮体のジョセフソン接合をモデル化し、粒子数の不均衡と位相の振動を記述する。
• SIS接合、多孔質膜を介した超流動3He、二重井戦トラップ内の超低温原子といった実験的設定を分析し、理論的予測の妥当性を検証する。
• 駆動されたジョセフソン系における非平衡ダイナミクスおよび準粒子励起状態を記述するため、時間におけるケルディシュ経路順序を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マクロな位相整合は、超伝導体および超流動体におけるジョセフソン効果をどのように可能にするか？
• RQ2 超伝導接合における直流および交流ジョセフソン効果の理論的根拠は何か？また、それらは位相差および印加電圧にどのように依存するか？
• RQ3 電気的ポテンシャル制御が不可能な状況において、超流動3Heおよび4Heにおけるジョセフソン効果はどのように実現され、観測されるか？
• RQ4 圧力が超流動3Heにおけるジョセフソン振動を誘発する役割を果たす仕組みは何か？また、周波数は圧力差にどのように比例するか？
• RQ5 超低温原子ボーズ＝アインシュタイン凝縮体においてジョセフソン効果を観測できるか？また、このような系におけるジョセフソン振動の特徴は何か？

主な発見

• 直流ジョセフソン効果は、超伝導SIS接合で観測され、印加電圧がゼロであっても、境界を越える位相差に起因する超電流が流れることを示している。
• 交流ジョセフソン効果は、周波数 ω = 2eV/h で振動する電流を生じさせ、電圧と周波数の直接的な関係を示しており、超伝導接合において実験的に確認されている。
• 超流動3Heでは、多孔質膜をはさんだ圧力差が、線形に調整可能なジョセフソン周波数を誘導し、聴覚的に周波数スイープとして観測された一貫した振動が得られている。
• 超流動4Heでは、最近、強い位相揺らぎに打ち勝って、ジョセフソン振動が直接観測された。開口部を越える干渉的トンネルの明確でぼやけない印の特徴が観測された。
• ボーズ＝アインシュタイン凝縮体におけるジョセフソン効果は、二重井戦トラップで実現され、トンネル結合に依存する周波数で粒子数の不均衡と位相差が振動する。これは振り子に類似した振る舞いを示す。
• ケルディシュ形式は、非平衡ジョセフソン効果（準粒子励起状態や超低温原子系における非断熱的バリアのスイープを含む）をうまく記述できている。