[論文レビュー] Long Josephson Tunnel Junctions with Doubly Connected Electrodes

R. Monaco, J. Mygind+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2011

Advanced Electrical Measurement Techniques被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、二重に連結された超伝導電極を有する長ジョンソントンネル接合（LJTJ）を調査し、フラックスイド量子化が位相のねじれを引き起こし、臨界電流を低下させることを示した。実験により、量子化された磁束量子の検出に高い信号対雑音比が得られ、超伝導のクエンチ過程における自発的対称性の破れを正確に測定可能であり、宇宙論的アナログ実験にとって重要である。

ABSTRACT

In order to mimic the phase changes in the primordial Big Bang, several "cosmological" solid-state experiments have been conceived, during the last decade, to investigate the spontaneous symmetry breaking in superconductors and superfluids cooled through their transition temperature. In one of such experiments the number of magnetic flux quanta spontaneously trapped in a superconducting loop was measured by means of a long Josephson tunnel junction built on top of the loop itself. We have analyzed this system and found a number of interesting features not occurring in the conventional case with simply connected electrodes. In particular, the fluxoid quantization results in a frustration of the Josephson phase, which, in turn, reduces the junction critical current. Further, the possible stable states of the system are obtained by a self-consistent application of the principle of minimum energy.

研究の動機と目的

• 長ジョンソントンネル接合（LJTJ）の静的性質を、少なくとも1つの電極が二重に連結された超伝導体を有するものとして分析すること。
• 多重に連結された超伝導ループにおけるフラックスイド量子化が、ジョセフソン位相および臨界電流に与える影響を調査すること。
• LJTJに対して、異なる単位長さあたりのインダクタンスと一般化されたバイアス配置を組み込んだ理論的枠組みを構築すること。
• 長方形および円形ループ形状の試料を用いて、理論的予測の実験的検証を行うこと。
• 宇宙論的固体状態実験への応用を想定し、捕らえられた磁束量子の高精度検出を実証すること。

提案手法

• 理論的分析では、ジョセフソン位相差にサイン・ゴルドン方程式を用い、二重に連結された電極に対してフラックスイド量子化条件を組み合わせた。
• 非対称インダクタンスおよび一般化されたバイアスを考慮した単一ループおよび二重ループ構成の境界条件を導出した。
• エネルギー最小化原理を適用して、系の安定平衡状態を特定した。
• 正規化された接合エネルギー、臨界電流、磁気回折パターンについて、数値的および解析的解を計算した。
• 長方形および円形の超伝導ループ上にLJTJをフォーミングし、Tcを通過する制御された磁場冷却を実施した。
• 変動磁場およびバイアス設定の下で臨界電流測定を実施し、オフセット電流技術を用いて信号対雑音比を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重に連結された超伝導ループにおけるフラックスイド量子化は、長接合におけるジョセフソン位相および臨界電流にどのように影響するか？
• RQ2 非対称インダクタンスおよび一般化されたバイアスを有するLJTJの境界条件およびエネルギー最小化状態は何か？
• RQ3 二重に連結されたループ上に配置された接合の臨界電流は、印加磁束およびフラックスイド数にどのように依存するか？
• RQ4 正および負の臨界電流の差動測定を用いることで、フラックス量子検出における信号対雑音比を向上させることができるか？
• RQ5 磁場冷却された超伝導ループにおける臨界電流の変調とループインダクタンスとの関係は何か？

主な発見

• フラックスイド量子化はジョセフソン接合に位相のねじれを引き起こし、単純に連結された電極と比較して臨界電流を低下させる。
• 臨界電流は対称性パラメータαおよび正規化長さℓに依存する周期的磁気回折パターンを示し、長接合において解析的および数値的解が一致した。
• 長方形および円形ループの実験により、臨界電流に明確な量子化ステップが観測され、1フラックス量子あたりΔIc ≈ 9.5 μAの変化が、±1 μAのrmsノイズ以上で検出可能であった。
• オフセット電流I_c^off = I_c^+ + I_c^-は、信号対雑音比を√2倍に向上させるとともに、単一電流測定と比較して温度漂いへの感受性を低減した。
• 臨界電流の変調から正確にループインダクタンスを抽出した：長方形ループ（g_i = 0.33）ではL_loop = 72 pH、円形ループ（g_i = 0.35）では140 pHであった。
• 磁場冷却中の非断熱的熱的遷移により、フラックスイド準位間のガウス分布に従う遷移が観測され、キブル＝ズレック理論と整合的であった。