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        基于高溫超導(dǎo)雙晶結(jié)的約瑟夫森效應(yīng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

        2012-02-01 03:34:04魏玉科馮慶榮
        物理實(shí)驗(yàn) 2012年7期
        關(guān)鍵詞:臺(tái)階微波特性

        王 越,魏玉科,楊 濤,馮慶榮

        (北京大學(xué)物理學(xué)院,北京100871)

        1 引 言

        約瑟夫森效應(yīng)描述了弱連接超導(dǎo)體之間超導(dǎo)電子對(duì)(庫伯對(duì))的量子隧穿現(xiàn)象,是超導(dǎo)體宏觀量子特性的生動(dòng)體現(xiàn)[1].這一效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致一門新的電子學(xué)技術(shù),即超導(dǎo)電子學(xué)的誕生和蓬勃發(fā)展.現(xiàn)在,約瑟夫森效應(yīng)已在很多超導(dǎo)器件(如超導(dǎo)量子干涉器)及相關(guān)研究領(lǐng)域(如精密測(cè)量)得到重要應(yīng)用.了解、觀測(cè)約瑟夫森效應(yīng),不僅可以使學(xué)生對(duì)超導(dǎo)體的宏觀量子特性有更深入的理解,還可為他們了解科研和生活中常見的超導(dǎo)電子學(xué)技術(shù)及應(yīng)用提供指引和幫助.

        約瑟夫森效應(yīng)可以分為直流約瑟夫森效應(yīng)和交流約瑟夫森效應(yīng)[2].當(dāng)約瑟夫森結(jié)兩側(cè)電壓為零時(shí),可以有很小的直流電流無阻地通過結(jié),這一現(xiàn)象即稱為直流約瑟夫森效應(yīng).通過的超導(dǎo)電流可表述為:I=ICsinΔφ,其中Δφ為結(jié)兩側(cè)超導(dǎo)體波函數(shù)的相位差,IC稱為約瑟夫森臨界電流,表征能通過結(jié)的最大超導(dǎo)電流,它取決于結(jié)兩側(cè)超導(dǎo)體的耦合程度.當(dāng)約瑟夫森結(jié)兩側(cè)存在直流電壓V時(shí),通過結(jié)的超導(dǎo)隧道電流為交變電流,其頻率為ν=2eV/h,其中h為普朗克常量.這一現(xiàn)象一般稱為交流約瑟夫森效應(yīng).在實(shí)驗(yàn)上為了證實(shí)交變超導(dǎo)電流的存在,可以選用適當(dāng)頻率的電磁波(如微波)來照射約瑟夫森結(jié).按照理論,當(dāng)直流偏壓V滿足2eV=nhν(n=1,2,…)時(shí),約瑟夫森電流存在直流分量,可以在V-I特性曲線上觀測(cè)到一系列的臺(tái)階,稱為微波感應(yīng)臺(tái)階,或夏皮羅臺(tái)階.

        考察約瑟夫森結(jié)的特性可以按照等效電路采用電子模擬器[3]或者計(jì)算機(jī)模擬[4]等方法.對(duì)照而言,直接觀測(cè)約瑟夫森效應(yīng)則由于實(shí)驗(yàn)條件等的限制,相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)報(bào)道還比較少見.本文介紹在液氮溫度下,自行搭建測(cè)試裝置,利用YBa2Cu3O7-δ高溫超導(dǎo)雙晶結(jié)來進(jìn)行約瑟夫森效應(yīng)觀測(cè)的實(shí)驗(yàn).該實(shí)驗(yàn)物理圖像直觀,設(shè)備簡單,成本低,很適合大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)特別是近代物理實(shí)驗(yàn)的演示與教學(xué).

        2 實(shí)驗(yàn)裝置

        2.1 高溫超導(dǎo)雙晶結(jié)樣品

        基于高溫超導(dǎo)雙晶結(jié),在液氮溫度下進(jìn)行約瑟夫森效應(yīng)的觀測(cè),相比采用低溫超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)而言,大大降低了對(duì)低溫液體和實(shí)驗(yàn)成本的要求.本文中的雙晶結(jié)樣品由在雙晶SrTiO3襯底上外延生長YBa2Cu3O7-δ高溫超導(dǎo)薄膜,然后對(duì)薄膜進(jìn)行光刻,在雙晶晶界處刻蝕出超導(dǎo)微橋而得到.

        圖1為雙晶晶界的示意圖.虛線表示晶界線,其兩側(cè)的晶粒同一晶軸之間具有θ的夾角,從而使得晶界兩側(cè)的超導(dǎo)體在晶界處形成弱連接[5].本文實(shí)驗(yàn)中雙晶襯底的晶界角θ一般為24°~36°.

        圖2為雙晶結(jié)微橋的光學(xué)顯微鏡照片.本實(shí)驗(yàn)中雙晶結(jié)微橋的厚度約為100nm,寬度一般在5~10μm,長約100μm.樣品的構(gòu)型保證測(cè)量可以采用標(biāo)準(zhǔn)的四引線法.

        圖1 雙晶晶界示意圖

        圖2 雙晶結(jié)微橋的光學(xué)顯微鏡照片

        2.2 實(shí)驗(yàn)裝置及測(cè)量原理

        圖3和圖4分別為實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)試裝置的示意圖和實(shí)物圖.整個(gè)測(cè)試裝置依據(jù)功能可以劃分為3個(gè)部分:測(cè)量系統(tǒng)(包括HP33120A函數(shù)發(fā)生器、測(cè)試電路箱、樣品桿),記錄系統(tǒng)(重慶川儀3086X-Y記錄儀)以及降溫系統(tǒng)(豫新YDS-10液氮杜瓦).其中測(cè)試電路箱為自行研制,主要包括恒流源、微波源以及相應(yīng)的測(cè)試線路和控制開關(guān).微波源的頻率可以在10GHz附近調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為500MHz,步長為10MHz.樣品桿上所采用的低溫溫度計(jì)為標(biāo)定的鉑電阻溫度計(jì)(Pt100).

        圖3 約瑟夫森效應(yīng)測(cè)試裝置示意圖

        圖4 約瑟夫森效應(yīng)測(cè)試裝置實(shí)物圖

        利用此裝置可測(cè)量高溫超導(dǎo)體的電阻隨溫度的變化(R-T曲線).圖5為其測(cè)量原理示意圖.測(cè)試電路箱中分別有恒流源為鉑電阻溫度計(jì)和約瑟夫森結(jié)提供直流偏置.鉑電阻溫度計(jì)兩端的電壓VT和約瑟夫森結(jié)兩端的電壓VJ分別作為XY記錄儀的X軸和Y軸輸入并由記錄筆同時(shí)記錄.根據(jù)鉑電阻溫度計(jì)的電阻-溫度標(biāo)定曲線,即可由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的VJ-VT曲線得到反映超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的R-T曲線.

        圖5 R-T曲線測(cè)量原理示意圖

        圖6 V-I曲線及夏皮羅臺(tái)階測(cè)量原理示意圖

        在液氮溫度(77K)下進(jìn)行V-I曲線及夏皮羅臺(tái)階測(cè)量的原理示意圖如圖6所示.此時(shí),由函數(shù)發(fā)生器的三角波輸出來得到可連續(xù)改變其大小并可改變其極性的電流.電流I的大小由測(cè)量定值電阻上的電壓得到.同時(shí)由X-Y記錄儀記錄約瑟夫森結(jié)上的電壓VJ,便可得到V-I特性曲線.若同時(shí)打開微波電源,則可以觀察微波輻照下約瑟夫森結(jié)的V-I曲線的變化以及夏皮羅臺(tái)階的出現(xiàn).

        3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

        首先測(cè)量在降溫過程中,雙晶結(jié)在室溫到液氮沸點(diǎn)這一溫區(qū)內(nèi)的R-T曲線,以便考察其電阻變化及超導(dǎo)轉(zhuǎn)變.在實(shí)驗(yàn)中,通過鉑電阻溫度計(jì)的恒定電流為1mA,通過雙晶結(jié)的恒定電流為50μA.典型R-T實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖7所示,橫軸為鉑電阻溫度計(jì)兩端的電壓,縱軸為雙晶結(jié)兩端的電壓.結(jié)果表明雙晶結(jié)樣品具有較陡的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變.

        圖7 R-T實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線

        當(dāng)雙晶結(jié)樣品達(dá)到液氮溫度并保持恒定時(shí),即可進(jìn)行直流約瑟夫森效應(yīng)的觀測(cè),即測(cè)量其VI特性曲線,考察約瑟夫森臨界電流.典型測(cè)量結(jié)果如圖8(a)所示.V-I曲線中零電壓處的水平段即表示雙晶結(jié)中電流為無阻的超導(dǎo)電流.當(dāng)電壓開始出現(xiàn)時(shí),對(duì)應(yīng)的電流為約瑟夫森臨界電流.為證實(shí)直流約瑟夫森效應(yīng)的觀測(cè),還可測(cè)量同樣尺寸但沒有跨過雙晶結(jié)的超導(dǎo)微橋的V-I特性曲線,如圖8(b)所示,并比較其與雙晶結(jié)微橋V-I曲線的差異.

        然后可進(jìn)行交流約瑟夫森效應(yīng)的觀測(cè),即打開微波電源,觀測(cè)雙晶結(jié)V-I特性在微波輻照下的變化和夏皮羅臺(tái)階的出現(xiàn).圖9顯示了不同微波功率下雙晶結(jié)V-I特性曲線的變化.在合適的微波功率下,可以比較清楚地觀察到夏皮羅臺(tái)階的出現(xiàn).

        圖8 V-I特性曲線對(duì)比

        圖9 微波輻照下雙晶結(jié)V-I特性曲線

        4 測(cè)量結(jié)果分析

        對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的曲線進(jìn)行坐標(biāo)軸單位轉(zhuǎn)換,并利用計(jì)算機(jī)作圖,可進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.依照鉑電阻溫度計(jì)的電阻-溫度標(biāo)定曲線,可由圖7所示的測(cè)量曲線得到雙晶結(jié)的R-T曲線,如圖10所示.在超導(dǎo)轉(zhuǎn)變前,雙晶結(jié)的電阻隨溫度的變化接近線性,為高溫超導(dǎo)體YBa2Cu3O7-δ的典型行為[6].超導(dǎo)臨界溫度取雙晶結(jié)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的中點(diǎn)溫度,為TC=89.5K,超導(dǎo)轉(zhuǎn)變寬度取超導(dǎo)轉(zhuǎn)變起始溫度和零電阻溫度的差,為ΔTC=1.8K.這些結(jié)果表明雙晶結(jié)樣品具有比較高的品質(zhì).

        圖10 由圖7中測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到的R-T曲線

        圖11 由圖8得到的非雙晶結(jié)超導(dǎo)微橋與雙晶結(jié)微橋V-I特性曲線的對(duì)比

        圖12 由圖9得到的雙晶結(jié)V-I特性曲線隨微波輻照的變化及夏皮羅臺(tái)階的出現(xiàn)

        圖13 夏皮羅臺(tái)階的高度隨臺(tái)階序列的變化

        根據(jù)圖8可比較非雙晶結(jié)超導(dǎo)微橋和雙晶結(jié)微橋的V-I特性曲線,如圖11所示.實(shí)驗(yàn)中定值電阻取為500Ω.對(duì)于雙晶結(jié),當(dāng)電流超過約瑟夫森臨界電流時(shí),結(jié)兩側(cè)開始出現(xiàn)電壓.約瑟夫森臨界電流IC=0.80mA.對(duì)于非雙晶結(jié)超導(dǎo)微橋,當(dāng)函數(shù)發(fā)生器為最大輸出,即對(duì)應(yīng)的電流達(dá)到3.30mA時(shí),電壓仍然為零,超導(dǎo)態(tài)仍然沒有被破壞,表明非雙晶結(jié)超導(dǎo)微橋的臨界電流大于3.30mA.這兩者的明顯差別證實(shí)了直流約瑟夫森效應(yīng)的觀測(cè).另外值得指出的是,在圖11中,對(duì)雙晶結(jié)微橋而言,其V-I特性測(cè)量中電壓不為零的那段曲線電流測(cè)量范圍較小.若進(jìn)一步增大電流-電壓測(cè)量范圍,還可通過V-I特性曲線研究雙晶約瑟夫森結(jié)的性質(zhì)[7],例如考察其是否符合電阻分路結(jié)(RSJ)模型等物理問題.

        取同一個(gè)坐標(biāo)原點(diǎn),可由圖9的測(cè)量曲線畫出微波輻照下雙晶結(jié)的V-I特性曲線,如圖12所示.隨著微波功率的增大,約瑟夫森臨界電流變小,同時(shí)夏皮羅臺(tái)階逐漸顯現(xiàn).

        將出現(xiàn)臺(tái)階的3條曲線中臺(tái)階的高度與臺(tái)階序列確定出來,如圖13所示.直線表示最小二乘線性擬合,從而可以得到相鄰序列間臺(tái)階高度為ΔV=(20.46±0.04)μV.由理論上[2]臺(tái)階高度與微波頻率間的關(guān)系(483.6MHz/μV)可以計(jì)算出微波的頻率為ν=(9.89±0.02)GHz.與微波源的參考標(biāo)稱值(10.00GHz)符合得很好,相對(duì)偏差為1%.這進(jìn)一步證實(shí)了交流約瑟夫森效應(yīng)的觀測(cè).

        5 結(jié)束語

        利用YBa2Cu3O7-δ高溫超導(dǎo)雙晶結(jié),在液氮溫度下實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流和交流約瑟夫森效應(yīng)的直接觀測(cè).該實(shí)驗(yàn)樣品性能比較穩(wěn)定,更換方便.由于采用液氮作為冷卻液體,整個(gè)裝置簡便易操作,運(yùn)行成本低.由于X-Y記錄儀具有RS-232串行接口,該實(shí)驗(yàn)裝置也可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)充,由計(jì)算機(jī)來采集數(shù)據(jù).從內(nèi)容上看,該實(shí)驗(yàn)物理圖像比較直觀,與理論對(duì)照明確,學(xué)生從中可更多了解高溫超導(dǎo)的特性,并加深對(duì)超導(dǎo)宏觀量子特性的理解.因此該實(shí)驗(yàn)有助于進(jìn)一步豐富超導(dǎo)物理方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)[8].

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