YBCO 约瑟夫森结的制作 与约瑟夫森效应的验证

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1、近代物理实验潘坚物理系08301030016YBCO约瑟夫森结的制作与约瑟夫森效应的验证潘坚08301030016复旦大学物理系200433摘要:我们对利用实验室提供的YBCO块状样品进行物理的加工处理，打磨形成超导结。并利用现有的条件进行约瑟夫森结的测量验证。本文从理论上分析了约瑟夫森效应的相关结果，并通过实验与理论进行对比，找出实际操作过程中的注意点。关键词：约瑟夫森效应，YBCO约瑟夫森结，隧道结，微波引言：超导Josephson结又称弱连接结。弱连接是指两块超导题通过某种方式形成弱耦合的结构

2、。Josephson曾预言在超导体-绝缘层-超导体（SIS）隧道结结构中，两侧超导体通过势垒层相互耦合，当势垒层足够薄时，出现的奇特物理现象。超导电子器件是基于Josephson效应而研制成功的新型电子器件。与半导体器件相比，超导电子器件具有高度非线性、噪声低、工作频带宽、功率小、体积小、抗干扰能力强等众多独特优点。所以研究Josephson结的性质对超导的发展和应该用具有非常重要的意义。理论分析1.约瑟夫森效应对于一个YBCO的超导体-绝缘层-超导体的约瑟夫森结结构如果我们在超导结的两端加上一个直

3、流电压V，则在约瑟夫森结结区中会出现一个高频振荡的正弦波隧道电流，其频率和所加的直流电压成正比有如下关系式2eν=⋅V=(483.6×106Hz/μV)⋅Vh即每加1μV的电压存在483.6MHz的高频隧道电流。所加电压在几微伏时，电流频率在GHz量级，若为几毫伏，则电流频率在1012Hz段。由于约瑟夫森结的高频辐射功率很小（约为10−11?），交流约瑟夫森效应的检测很难通过一般直接接受电磁波辐射的方法实现，而需要采用间接的检测方法。当超导结两端出现直流电压V0时，结中超导隧道电流密度2???=??

4、sin(?0?+?0)ℏ上式对时间的平均值为零，因此，在直流的I-V特性曲线上反映不出高频电流的存在。为此，在结上除了加直流偏置电压?0以外再加上一个振幅为??的交变电压??(cos⁡(Ωt+α)。Α为交变电压的初始相位。在恒压源模型下可以证明，结中的电流可以表示为+∞?=?∑(−1)??(2??/ℏ?)sin⁡[(ω−nΩ)t−nα+φ]????0?=−∞其中??(2???/ℏ?)为n阶贝赛尔函数。由上式可得，此时节点流中包含了各种谐波成分，每当ω=nΩ，即解得约瑟夫森频率ω与外加交变频率Ω的n倍

5、相等时，隧道电流中即出现不随时间变化的直流项。因此，当将结两1近代物理实验潘坚物理系08301030016端的电压V做扫描时，在结的I−V特性曲线上，将出现一系列的直流电流成分，形成等电压间隔的电流台阶，电流竖柱的电压间隔由交变电压的频率Ω锁决定。实验中我们采用3cm的微波对约瑟夫森结进行照射，理论计算的电压间隔为ΔV=20μV。2.约瑟夫森结的制作约瑟夫森结是由两块超导体之间夹一层很薄的绝缘层构成，形成约瑟夫森结的要点是两边超导体之间形成微弱的电子能量耦合。绝缘层形式是一种减弱两超导体之间电子对耦

6、合的方式，通过狭窄的区域超导连接也是一种减弱电子对耦合的方式。狭窄区域尺寸需要小于材料的想干长度，通常为1μm数量级。YBCO这种高温氧化物超导体，由于内部存在晶粒间的耦合，所以多晶氧化物超导体也能呈现约瑟夫森结。实验内容1.YBCO约瑟夫森结的制作实验采用最简单的方法制备约瑟夫森结，我们将YBCO块状材料通过AB胶粘在环氧树脂基板上。对YBCO样品进行打磨，在块状样品中间雕刻加工出现桥型的结构。我们将块状样品打磨到弱连接处的长度、宽度和厚度都在0.1mm附近。样品的四段引线用铟粒压于超导材料商，再

7、把银丝焊到电极上。用双面胶将环氧树脂极板与低温探棒上的环氧底板粘合。加工约瑟夫森结的时候，我们要是的中间的连接尽可能薄，但是又不能完全锉断，在用锉刀打磨的一段时间我们需要用欧姆表测量样品的电阻。不仅要确保中间不能磨断，还要注意样品的电阻不能太大，一般在1-2Ω或者更小（如果样品的电阻达到10Ω以上，虽然还保持着通路的状态，但可能是已经破坏了YBCO的晶体结构，他可能已经失去超导性）。2.约瑟夫森效应的实验电路设计约瑟夫森效应的核心在于测量约瑟夫森结在不加微波辐照和加上固定频率的微波辐照时候的I-V特

8、性曲线。直流电源配合滑动变阻器可以提供一个可连续变化的扫描电压。通过测量2、3两个接线之间的电压可以确定样品两端的电压；通过测量与样品串联的10Ω定值电阻两端的电压可以得到样品中通过的电流信号。电压和电流信号分别输入到X-Y实验记录仪的X输入口和Y输入口，我们就可以在X-Y记录仪上输出得到伏安特性曲线。2近代物理实验潘坚物理系08301030016方框内的部分被封装在样品杆低温探棒内，微波有低频信号发生器产生，并通过封装在样品杆内的波导腔传播并照射到样品表面。这样的电