Josephsonin ilmiö

Wikipediasta
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Josephsonin ilmiö on fyysikko Brian David Josephsonin 1962 keksimä, toisiinsa yhdistettyjä suprajohteita koskeva ilmiö.[1][2][3][4] Suprajohteet voidaan yhdistää toisiinsa joko eristekerroksen tai ei-suprajohtavassa tilassa olevan metallin, eli normaalimetallin välityksellä. Josephsonin ilmiöön perustuvia liitoksia kutsutaan usein Josephson-liitoksiksi (engl. Josephson junction). Tällaisessa Josephsonin liitoksessa suprajohteiden voi kulkea supravirta, vaikka suprajohteiden välillä ei olisikaan jännitettä.[1][2] Tämä ilmiö tunnetaan nimellä tasavirran Josephsonin ilmiö.[5]

Jos taas suprajohteiden välinen jännite V pidetään vakiona, kulkee liitoksen kautta sinimuotoisesti vaihteleva supravirta, jonka taajuus on , missä on alkeisvaraus ja on Planckin vakio. Tämä ilmiö tunnetaan nimellä vaihtovirran Josephsonin ilmiö.[6] Koska taajuus ja jännite ovat tarkasti mitattavissa, voidaan ilmiön avulla avulla määrittää alkeisvarauksen ja Planckin vakion suhde erittäin tarkasti. Tunneli-ilmiö on tunnettu 1950-luvulta asti, mutta suprajohtavan tunneloitumisen ennusti Brian Josephson vuonna 1962.[7][8] Jos suprajohteet ovat yhteydessä toisiinsa kahden Josephsonin liitoksen välityksellä, eri reittiä pitkin kulkevat supravirrat voivat interferoida. Interferenssi voidaan muuttaa konstruktiivisesta destruktiiviseksi muuttamalla reittien muodostaman silmukan läpi kulkevaa magneettivuota, mikä vaikuttaa eri reittejä pitkin kulkevien virtojen vaihe-eroon.

Josephsonin liitos voidaan toteuttaa joko niin sanottuna pistekontaktina teräväkärkisen suprajohtavan ruuvin koskettaessa toista suprajohdetta, tai kahden suprajohteen välisellä oksidi- tai normaalimetallikerroksella. Josephsonin ilmiöön perustuvilla laitteilla on mahdollista mitata hyvin pieniä jännitteitä (pienimmillään 10-15 volttia) ja magneettikenttien muutoksia (10-13 teslan tarkkuudella).[2][1][8]

Josephsonin ilmiö on kvanttitason sähköfysiikan ilmiö. Sitä käytetään uudessa voltin määritelmässä. Standardin mukaan

»Elektroniparien tunneloituminen kahden suprajohteen välissä olevan hyvin ohuen (1–3 nm) eristekerroksen läpi mahdollistaa tasavirran kulkemisen kyseessä olevan eristekerroksen läpi ilman vastusta, toisin sanoen eristekerros käyttäytyy suprajohteen tavoin. Tällöin syntyy myös korkeataajuinen vaihtovirtajännite eristekerroksen yli. Ilmiö toimii myös käänteisesti: jos yksittäiseen liitokseen kohdistetaan mikroaaltokenttä (9–100 GHz), ja biasoidaan DC-virralla, niin tarkkaan tiedetty tasavirtajännite ilmestyy Josephsonin liitoksen DC-osan yli ja sillä on portaittainen virta-jännitekäyrä.[9]»

Kvanttitietokoneen eräs toteutusvaihtoehto on käyttää Josephsonin ilmiöön perustuvia rakenteita ja/tai komponentteja. [10],[11] Kvanttitietokoneen fyysinen kubitti voidaan toteuttaa yhdellä tai kahdella Josephsonin liitoksella.[12]

Josephsonin ilmiöön perustuvia rakenteita ja komponentteja[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Josephsonin ilmiöön perustuva liitos voidaan toteuttaa seuraavilla rakenteilla[13]:

  • SIS (suprajohde-eriste-suprajohde, engl. superconductor-insulator-superconductor)
  • SNS (suprajohde-normaalimetalli-suprajohde, engl. superconductor-normal metal-superconductor)
  • SINIS (suprajohde-eriste-normaalimetalli-eriste-suprajohde)
  • Raerajat (engl. grain boundary structures), jos kyseessä ovat niin sanotut korkean lämpötilan suprajohteet
  • Kaksi toisiinsa materiaalikannaksella kytkettyä suprajohdetta. Tämä rakenne tuli mahdolliseksi tarkan etsaustekniikan kehittymisen myötä[14]. Rakenteessa suprajohdealueet ovat samassa tasossa, kun tavallisimmin ohutkalvojen kasvatukseen perustuvalla valmistustekniikalla suprajohtavat ja muut tarvittavat kalvot on sijoitettu päällekkäin.

Josephsonin ilmiöön perustuva jännitestandardikomponentti voidaan rakentaa joko SIS-, SNS- tai SINIS-liitoksista, jotka on kytketty toisiinsa esimerkiksi aaltoputkilla tai siirtolinjoilla.

Suprajohtavana materiaalina voidaan käyttää esimerkiksi niobiumia, eristeenä alumiinioksidia ja ei-suprajohtavana materiaalina alumiinia tai kuparia. Suorituskykyisimpien esimerkiksi vähäkohinasimpien materiaalien kehitystyötä tehdään jatkuvasti.[15]

Josephson-liitoksia voidaan valmistaa esimerkiksi piikiekolle tai muulle tasaiselle alustalle ohutkalvotekniikalla käyttäen hyväksi mahdollisesti muitakin tarvittavia mikropiirien valmistus-, liitos-, pakkaus- ja kotelointimenetelmiä.

Jäähdytys-, ohutkalvojen valmistus- ja materiaalitekniikan kehittymisen myötä Josephsonin ilmiön hyödyntäminen on tullut teollisesti mahdolliseksi.

Suomessa Josphsonin ilmiöön perustuvia rakenteita ja komponetteja on tutkittu ja valmistettu pienmittakaavassa VTT:llä 1970-luvulta lähtien.[16][17] Niitä on käytetty muun muassa jännitestandardin,[18] herkkien magnetometrien,[19] lääketieteellisen magnetoenkefalografia (MEG) -kuvantamislaitteen,[20] ja kvanttitietokoneiden[21] kehittämiseen ja rakentamiseen.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c CD-Facta 2005: suomenkielinen tietosanakirja. Artikkeli: Josephsonin ilmiö. Helsinki: WSOY, 2004. ISBN 951-0-29148-X.
  2. a b c päätoimittaja: Valpola, Veli, Anttila, Inkeri: Uusi tietosanakirja : täydennysosa 1 : A-LU, s. 546. Porvoo: Helsinki : WSOY : Tietosanakirja oy, 1972. ISBN 951-0-00510-X.
  3. Rantala Risto, päätoimittaja, Itkonen Mikko, Suramo Ari ; grafiikka: Vakkila, Juha.: Otavan tietosanakirja. Artikkeli: Josephson, Brian, Teoksen muoto: CD-linja Ulkoasu: 1 optinen levy (CD-ROM) : vär. ; 12 cm.. Helsinki: Otava, 1997. ISBN 951-1-15139-8.
  4. Josephson Effect. Encarta Multimedia Encyclopedia, Microsoft® Student 2009 [DVD], Microsoft Corporation, 2009. (englanniksi)
  5. IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 121-13-25: "direct-current Josephson effect" www.electropedia.org. Viitattu 23.3.2022.
  6. IEC 60050 - International Electrotechnical Vocabulary - Details for IEV number 121-13-26: "alternating-current Josephson effect" www.electropedia.org. Viitattu 23.3.2022.
  7. Josephson effect. Versio 16.00 Windows XP, 2000, 9x, Me, and NT. 2003 Grolier Multimedia Encyclopedia, Grolier Interactive Inc., 2002. ISBN 043965419. (englanniksi)
  8. a b Josephson effect. Luvun toinen kappale. Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica Ultimate Reference Suite, 2015. ISBN 978-1625132963. (englanniksi)
  9. Sähkösuureiden standardit: Voltti (PDF) (Artikkeli löytyy suomalaisesta verkkoarkistosta ja sitä voi katsoa vapaakappalekirjastoissa. Archive.org ja WebCite eivät löydä sitä.) verkkoarkisto.kansalliskirjasto.fi. 2.5.2015. Viitattu 2.12.2015.
  10. Tafuri F. (toimittaja), kappaleen kirjoittajat Kockum A.F., Nori F.: Fundamentals and Frontiers of the Josephson Effect, kappale Quantum Bits with Josephson Junctions, s. 703-741. Springer, 2019.
  11. Steffen M., DiVincenzo D. P., J. M. Chow J. M., Theis T. N., Ketchen M. B.: Quantum computing: An IBM perspective IEEE/CSC & ESAS EUROPEAN SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM, No. 19. 2012. IEEE. Viitattu 24.3.2022.
  12. Martinis John M., Osborne Kevin: Superconducting Qubits and the Physics of Josephson Junctions Caltech Painter Lab (https://copilot.caltech.edu/). Viitattu 25.3.2022.
  13. Adir Luiz, toimittaja: Superconductivity - Theory and Applications, 360 s.. IntechOpen, 2011.
  14. Foxe T. T., Hunt B. D., Rogers C., Kleinasser A. W., Buhrman R. A.: Reactive Ion Etching of Niobium. Journal of Vacuum Science and Technology 19(4):1394 - 1397, 1981.
  15. Kim Sunmi jne.: Nitridien eduista kubittien toteuttamisessa National Institute of Information and Communications Technology (NICT). 20.9.2021. Viitattu 4.4.2022. englanniksi
  16. Wiik Tapio: Josephson tunnel junctions on niobium films, 32 s. VTT Julkaisu no 17 (englanniksi), 1976.
  17. Wiik Tapio, Ronkainen Hannu, Stubb Tor: Experimental integrated microwave circuits with Josephson junctions. Japanese Journal of Applied Physics 19, S1, s. 587-589, DOI 10.7567/JJAPS.19S1.587, 1979.
  18. Lahdenperä Kari, Seppä Heikki, Wallin Pekka: A transportable Josephson voltage standard. Precision Measurement and Fundamental Constants II, s. 493-495, 1984.
  19. Mutikainen Risto, Salmi Jorma, Seppä Heikki: DC-SQUID-magnetometrin suunnittelu ja toteutus. Tutkimusraportti 610, s. 78-98, 1989. VTT.
  20. Ilmoniemi Risto, Kuikka Jyrki, Tesche Claudia: Aivojen toiminnallisen kuvantamisen uudet menetelmät Lääketieteellinen Aikakauskirja Duodecim. 116(4):393-395, 2000. Kustannus Oy Duodecim. Viitattu 22.3.2022.
  21. VTT Uutiset, lehdistötiedote: Suomen ensimmäinen kvanttitietokone on valmis käyttöön 30.11.2021. VTT. Viitattu 22.3.2022.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Hassel Juha: Josephson junctions and kinetic inductance in technological applications Quantum Technology masters course 2019. 2.4.2019. Aalto University. Viitattu 21.3.2022.

Hampson Michelle: Superconducting Microprocessors? Turns Out They're Ultra-Efficient IEEE Spectrum. 13.1.2021. IEEE. Viitattu 22.3.2022.

Anlage S. M.: Microwave Superconductivity IEEE Journal of Microwaves. 7.1.2021. IEEE. Viitattu 24.3.2022.