Л.Н. Булаевский

Institute of Theoretical Physics, ETH, Zurich, Switzerland

Theoretical Division, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico 87545, USA

О статье   SUPERCONDUCTING SYSTEM WITH WEAK COUPLING TO CURREN GROUND-STATE  BULAEVSKII  L.N.,  KUZII  V.V., SOBYANIN A.A. (1977)     

В статье Письма в ЖЭТФ, 25, 314, 1977 Булаевский, Собянин  и Кузий (БСК) рассмотрели  джозефсоновский СИС переход с изолятором (И) между двумя обычными синглетными s-волновыми сверхпроводниками (С) в ситуации когда изолятор И содержит магнитные примеси с большой концентрацией. Ранее Кулик (ЖЭТФ, 49, 1211, 1965) показал, что магнитные примеси в изоляторе И уменьшают сверхпроводящий критический ток из-за того, что  туннелирование куперовской  пары с противоположными спинами электронов через магнитные примеси даёт отрицательный вклад  в критический ток и энергию переходов, в то время как  туннелирование через немагнитные атомы даёт положительный вклад. БСК показали, что если туннелирование через магнитные примеси доминирует, то критический ток оказывается отрицательным, и разность фаз в основном состоянии перехода равна $\pi$, а не 0 как в обычных джозефсоновских переходах. Они назвали такой переход пи-переходом. Как в случае пи-перехода, так и обычного 0-перехода ток в основном состоянии отсутствует. Однако, если закоротить пи-переход обычным сверхпроводником и если индуктивность кольца будет достаточно велика, основное состояние системы будет состоянием со спонтанным током текущим через переход, причем направление тока оказывается случайным. Этот ток приводит к появлению измеримого магнитного поля и, соответственно, потока в кольце. Магнитный поток при этом может принимать значения между 0 и половиной кванта потока в зависимости от индуктивности кольца.

Через четыре года Булаевскии, Буздин и Панюков (Письма в ЖЭТФ, 35, 147,  1981) показали что пи-переход можно реализовать в СФС системе с ферромагнетиком (Ф) в качестве слабой связи, потому что обменное поле в Ф приводит к осцилляции разности фаз на переходе в зависимости от толщины ферромагнитного слоя. Эта толщина может быть выбрана так, что разность фаз на противоположных краях Ф-слоя будет равна $\pi$, что приводит к отрицательному критическому току. Экспериментально такой пи-переход был реализован 20 лет позднее Рязановым с сотрудниками (Phys. Rev. Lett., 86, 2427, 2001).

В 1987 г. Гешкенбейн, Ларкин и Бароне (Phys. Rev. B, 36, 235, 1987) показали что система СС’С с тяжёлофермионным  p-волновым сверхпроводником (С’) ведёт себя аналогично пи-переходу, поскольку сверхпроводящий параметр порядка в p-волновом сверхпроводнике меняет знак на краях кристалла с перпендикулярной кристаллографической ориентацией. Это наблюдение оказалось очень полезным для доказательства того, что высокотемпературные сверхпроводники на основе меди имеют d-волновое куперовское спаривание, при котором знак параметра порядка  меняется при изменении ориентации на 90 градусов. Действительно, Тсуи и Киртлей (Tsuei, Kirtley, Rev. Mod. Phys. 72, 969, 2000) изготовили первый пи-переход, используя разные грани на угловом краю кристалла YBCO и доказали однозначно, что этот  сверхпроводник  имеет d-волновое спаривание.

Позднее было экспериментально доказано также что СИС система  с большой концентрацией магнитных примесей обладает сверхпроводящим током в основном состоянии, так как области с пи- и 0-переходами появляются внутри перехода из-за вариации концентрации примесей (O. Vavra et al., Phys. Rev. B, 74, 020502, 2006).

B настоящее время известно много методов получения фазового p-сдвига внутри джозефсоновских переходов (см.  Schulz et al. Appl. Phys. Lett., 76, 912, 2000: J.J.A. Bazelmans, et al., Nature, 397, 43, 1999; J-P. Cleuziou, et al,. Nature Nanotechnology, 1, 53, 2006).

Пи-переходы находят применение, например, в качестве фазосдвигающих элементов в структуре кубитов для уменьшения шумов в этих квантовых системах.