تقاطع بي جوزيفسون

وصلة جوزيفسون (JJ) هي جهاز ميكانيكي كمي يتكون من قطبين كهربائيين فائقَي التوصيل يفصل بينهما حاجز (حاجز نفق عازل رقيق، معدن عادي، شبه موصل ، مغناطيس حديدي ، إلخ). وصلة جوزيفسون π هي وصلة جوزيفسون تكون فيها قيمة طور جوزيفسون φ مساوية لـ π في الحالة الأرضية ، أي عندما لا يتم تطبيق تيار خارجي أو مجال مغناطيسي .

يُعطى التيار الفائق I _{_s} المار عبر وصلة جوزيفسون عمومًا بالعلاقة I _{_s} = I _{_c} sin( φ )، حيث φ هو فرق الطور بين دالتي الموجة فائقة التوصيل للقطبين، أي طور جوزيفسون. ^{[ 1 ]} التيار الحرج I_{_c} هو أقصى تيار فائق يمكن أن يمر عبر وصلة جوزيفسون. في التجارب، يُمرر تيار عبر وصلة جوزيفسون، فتستجيب الوصلة بتغيير طور جوزيفسون. من الصيغة السابقة، يتضح أن الطور φ = arcsin( I / I_{_c} )، حيث I هو التيار (الفائق) المُطبق.

بما أن الطور دوري 2π ، أي أن φ و φ +  2πn  متكافئان فيزيائيًا، دون فقدان العمومية، فإن المناقشة أدناه تشير إلى الفترة 0 ≤ φ < 2π .    

عندما لا يمر تيار ( I  =  0) عبر وصلة جوزيفسون، كما هو الحال عند فصل الوصلة، تكون الوصلة في الحالة الأرضية ويكون طور جوزيفسون عبرها صفرًا  ( φ  =  0). يمكن أن يكون الطور أيضًا φ  = π ، مما يؤدي أيضًا إلى عدم مرور تيار عبر الوصلة. يتضح أن الحالة التي يكون فيها φ = π غير مستقرة وتتوافق مع أعلى طاقة لجوزيفسون ، بينما تتوافق الحالة φ = 0 مع أدنى طاقة لجوزيفسون وهي الحالة الأرضية.     

في بعض الحالات، قد نحصل على وصلة جوزيفسون يكون فيها التيار الحرج سالبًا ( I _{_c}  <  0). في هذه الحالة، تصبح علاقة جوزيفسون الأولى كما يلي:

${\displaystyle I_{s}=-|I_{c}|\sin(\varphi )=|I_{c}|\sin(\varphi +\pi )}$

الحالة الأرضية لمثل هذا التقاطع الجوزيفسوني هي${\displaystyle \phi =\pi }$ويتوافق ذلك مع الحد الأدنى لطاقة جوزيفسون، بينما تكون الحالة التقليدية φ = 0 غير مستقرة وتتوافق مع الحد الأقصى لطاقة جوزيفسون. مثل هذا الوصل جوزيفسون مع${\displaystyle \phi =\pi }$يُطلق على الحالة الأرضية اسم وصلة جوزيفسون π  .

تتمتع وصلات جوزيفسون π بخصائص غير عادية. فعلى سبيل المثال، عند توصيل (تقصير) الأقطاب الكهربائية فائقة التوصيل بالمحث L ( كسلك فائق التوصيل مثلاً )، يُتوقع أن يدور تيار فائق تلقائي في الحلقة، ماراً عبر الوصلة وعبر المحث باتجاه عقارب الساعة أو عكسها. هذا التيار الفائق تلقائي وينتمي إلى الحالة الأرضية للنظام. ويُختار اتجاه دورانه عشوائياً. سيُولد هذا التيار الفائق مجالاً مغناطيسياً يمكن رصده تجريبياً. تتراوح قيمة التدفق المغناطيسي المار عبر الحلقة من صفر إلى نصف كمية التدفق المغناطيسي ، أي من صفر إلى Φ ₀ /2، وذلك تبعاً لقيمة المحث L. 

• وصلات جوزيفسون المغناطيسية الحديدية . لنفترض وجود وصلة جوزيفسون ذات حاجز جوزيفسون مغناطيسي حديدي، أي وصلة متعددة الطبقات من نوع موصل فائق-مغناطيسي حديدي-موصل فائق (SFS) أو موصل فائق-عازل-مغناطيسي حديدي-موصل فائق (SIFS). في مثل هذه البنى، يتذبذب معامل الترتيب فائق التوصيل داخل الطبقة F في الاتجاه العمودي على مستوى الوصلة. ونتيجة لذلك، بالنسبة لسمك معين للطبقة F ودرجات حرارة محددة، قد يصبح معامل الترتيب +1 عند أحد قطبي التوصيل الفائق و-1 عند القطب الآخر. في هذه الحالة، نحصل على وصلة جوزيفسون π . تجدر الإشارة إلى أنه داخل الطبقة F، يحدث تنافس بين حلول مختلفة، ويفوز الحل ذو الطاقة الأقل.${\displaystyle \pi }$تم تصنيع الوصلات التالية: وصلات SFS ذات طبقات وسيطة مغناطيسية ضعيفة؛ ^{[ 2 ]} وصلات SFS ذات طبقات وسيطة مغناطيسية قوية، مثل الكوبالت والنيكل، ^{[ 3 ]} والبلاديوم والحديد ^{[ 4 ]} والنيكل والحديد ^{[ 5 ]} وصلات SIFS؛ ^{[ 3 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} ووصلات S-Fi-S. ^{[ 9 ]}

• وصلات جوزيفسون ذات تناظر غير تقليدي في معامل الترتيب . تتميز الموصلات الفائقة الحديثة، ولا سيما موصلات الكوبرات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية، بمعامل ترتيب فائق التوصيل غير متناحٍ ، والذي يمكن أن يغير إشارته تبعًا للاتجاه. على وجه الخصوص، يكون لمعامل ترتيب الموجة d قيمة +1 عند النظر على طول المحور البلوري a، وقيمة -1 عند النظر على طول المحور البلوري b . أما عند النظر على طول الاتجاه ab (زاوية 45° بين a و b )، فإن معامل الترتيب يتلاشى. من خلال إنشاء وصلات جوزيفسون بين أغشية موصلة فائقة من نوع الموجة d ذات اتجاهات مختلفة، أو بين موصلات الموجة d وموصلات الموجة s التقليدية المتناحية، يمكن الحصول على إزاحة طورية قدرها${\displaystyle \pi }$توجد اليوم عدة تطبيقات لوصلات جوزيفسون π  من هذا النوع:
  • وصلات جوزيفسون لحدود الحبيبات ثلاثية البلورات ، ^{[ 10 ]}
  • وصلات جوزيفسون لحدود الحبيبات رباعية البلورات، ^{[ 11 ] [ 12 ]}
  • تقاطعات جوزيفسون المتعرجة ذات الموجة d/s، ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}
  • وصلات جوزيفسون لحدود الحبيبات ذات الميل والالتواء، ^{[ 17 ]}
  • وصلات جوزيفسون القائمة على الموجة p.
• وصلات جوزيفسون من نوع الموصل الفائق - المعدن العادي - الموصل الفائق (SNS) مع توزيع إلكتروني غير متوازن في الطبقة N. ^{[ 18 ]}
• وصلات جوزيفسون فائقة التوصيل - النقاط الكمومية - فائقة التوصيل (S-QuDot-S) (المنفذة بواسطة وصلات جوزيفسون لأنابيب الكربون النانوية ). ^{[ 19 ]}

نظرياً، في المرة الأولى التي تُتاح فيها إمكانية إنشاء${\displaystyle \pi }$ناقش بولايفسكي وآخرون ^{[ 20 ]} وصلة جوزيفسون ، حيث درسوا وصلة جوزيفسون مع تشتت مغناطيسي بارامغناطيسي في الحاجز. وبعد ما يقرب من عقد من الزمان، ظهرت إمكانية وجود${\displaystyle \pi }$تمت مناقشة وصلة جوزيفسون في سياق الموصلات الفائقة ذات الموجة p ذات الفرميونات الثقيلة. ^{[ 21 ]} تجريبياً، أول${\displaystyle \pi }$كانت وصلة جوزيفسون عبارة عن وصلة زاوية مصنوعة من موصلات فائقة من أكسيد الإيتريوم والباريوم والنحاس (موجة d) والرصاص (موجة s). ^{[ 13 ]} أول دليل قاطع على${\displaystyle \pi }$لم يُقدّم مفهوم وصلة جوزيفسون ذات الحاجز المغناطيسي الحديدي إلا بعد عقد من الزمن. ^{[ 2 ]} استخدم ذلك العمل مغناطيسًا حديديًا ضعيفًا يتكون من سبيكة نحاس-نيكل (Cu _x Ni _{1− x} ، حيث x حوالي 0.5) وتم تحسينه بحيث تكون درجة حرارة كوري قريبة من درجة حرارة الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة لأقطاب النيوبيوم فائقة التوصيل .

• تأثير جوزيفسون
• تقاطع جوزيفسون φ
• سيميفلوكسون
• الدوامات الجزئية
• برايان د. جوزيفسون