中国计量科学研究院量子电压基准研究与发展综述

对中国计量科学研究院(NIM)研究建立的约瑟夫森量子电压基标准及相关应用研究情况进行了综述。NIM自1993年研究建立了国家量子电压基准,之后进行了与国际计量局的1 V和10 V的两次现场比对,比对一致性的相对不确定度均小于1.1×10^(-10)。重点描述了NIM建立可编程量子电压基准(PJVS)的研究工作,以及以此为基础合成交流量子电压和交流标准源量值传递的进展情况,并介绍了对PJVS进行的一些创新和应用拓展的工作。

免液氦量子电压标准热传导特性

基于小型Gifford-McMahon(G–M)制冷机的低温系统是免液氦量子电压标准的关键组件之一,然而由于量子效应的电学表征与结阵表面温度密切相关,结阵芯片对环境温度高度敏感。特别是当结阵表面辐照较大功率的微波时,大量热负荷加剧了无液氦环境下超导量子态的不稳定性。针对上述问题,深入分析和研究了免液氦量子电压标准的低温固体热传导特性,建立低温恒温系统两级辐射漏热及结阵接触热传导模型,应用该模型设计了低温恒温器,并开展了结阵温度稳定性和超导电流–电压(I–U)特性实验。实验结果表明:2伏可编程约瑟夫森结阵所有子阵列的量子电压台阶宽度均大于1.3 mA,验证了所提模型的准确性和可行性。该研究的相关理论和方法可为免液氦量子电压标准低温系统设计和完善提供重要依据。

拓扑半金属-超导体异质结的约瑟夫森效应

拓扑半金属是一类受对称性保护的无能隙量子材料.因其相对论性能带色散关系,拓扑半金属中涌现出丰富的量子态和量子效应,例如费米弧表面态和手征反常.近年来,因在拓扑量子计算的潜在应用,拓扑与超导的耦合体系受到广泛关注.本文从两方面回顾拓扑半金属-超导体异质结体系近年来的实验进展:1)超导电流对拓扑量子态的模式过滤;2)拓扑超导和Majorana零能模的探测与调控.对于前者,利用约瑟夫森电流对电磁场的响应,拓扑半金属中费米弧表面态的弹道输运被揭示,高阶拓扑半金属相被证实,有限动量配对及超导二极管效应被实现.对于后者,通过交流约瑟夫森效应,狄拉克半金属中4π周期的拓扑超导态被发现,纯电学栅压调控的拓扑相变被实现.本文最后展望了拓扑半金属-超导体异质结体系的发展前景和在Majorana零能模编织和拓扑量子计算上的潜在应用.

马约拉纳零能模的输运探测

理论预言拓扑超导体能够承载服从非阿贝尔统计的伊辛任意子—马约拉纳零能模,因而可用于实现容错的拓扑量子计算,是凝聚态领域最受关注的前沿课题之一.本文重点回顾了电学输运手段在研究马约拉纳零能模中的应用.在简要介绍拓扑超导、马约拉纳零能模和非阿贝尔统计等基本概念的基础上,对当前实现拓扑超导的多种方案进行了总结.重点介绍了利用低温输运手段探测马约拉纳零能模的实验方法,涵盖了超导/纳米线中广泛使用的电子隧穿谱、库仑阻塞谱和非局域电导探测,以及约瑟夫森器件中使用的(逆)交流约瑟夫森效应探测和电流(能量)相位关系的探测.同时,对利用上述测量手段得到的实验结果可能存在的平庸解释进行了必要的补充和说明.最后对马约拉纳零能模的输运探测进行了总结与展望.

一种可程控约瑟夫森直流电压标准装置

在直流电压量值体系中,约瑟夫森直流电压标准已经成为我国电压单位(伏特)复现的基准,利用约瑟夫森效应,直流电压单位直接溯源到频率和约瑟夫森常数KJ-90。本文介绍了约瑟夫森结的结构原理,以及一种可程控约瑟夫森电压标准装置的工作原理和特点。在直流电压-10～+10V测量范围内,可以用于检定校准固态电压标准器、标准电池和直流分压器,也可以输出约瑟夫森直流电压,用于校准数字电压表10V以下量程以及线性度。

高温超导约瑟夫森结阵列的相位锁定

根据交流约瑟夫森效应,研究了嵌入Fabry-Perot谐振腔里的约瑟夫森结阵列在微波辐照下的相位锁定问题。结阵列是由生长在双晶钇稳定氧化锆(YSZ)基片上的YB2Cu3O7(YBCO)超导薄膜光刻成微桥得到的。通过优化设计,在温度为79.2K辐照频率为77.465GHz的条件下,包含620个串联约瑟夫森双晶结的结阵列在外加微波辐照下实现了相位锁定,得到了陡峭的夏皮罗台阶。其第一级夏皮罗台阶的电压约为0.1V,台阶高度约为0.17mA。试验结果表明,这种结阵列结构在电压基准的应用上有极大的优势,而且这种准光学耦合方法在太赫兹信号发生和检测方面有很好的应用前景。

约瑟夫森结的电感效应及新型可调谐滤波器

通过WINS软件模拟,我们研究了处于直流零电压状态的约瑟夫森结的电感效应。对于Ic=0.1mA的约瑟夫森结,当把它偏置在0.08mA时,相当于一个5.46pH的电感。同时我们模拟出约瑟夫森结等效电感值随偏置电流变化的关系曲线。利用这一效应,设计并模拟了一种新型的5阶超导可调谐滤波器,其中心频率从600MHz到750MHz连续可调,带宽为50MHz,插入损耗小于0.3dB,带外抑制大于40dB,矩形系数优于0.5。这种滤波器适于集成化,在通信系统中具有重要的应用价值。

高Tc超导薄膜红外(光)探测器的研究

系统地报道了近年来关于高Ｔｃ超导薄膜红外（光）探测器的研究成果，先后进行了单元分立器件、２×２、２×４集成式阵列器件以及约瑟夫逊结型红外（光）探测器的研究。器件经过１０多次的液氮温度至室温的冷热循环，并在室温下保存两年以上，所得测量结果基本不变。采用具有约瑟夫逊效应的高Ｔｃ超导双晶晶界结的光探测器具有量子效应，其响应速度快于６．３５×１０－７ｓ。

超流体陀螺的原理和最新发展

超流体陀螺是基于物质波萨格纳克效应的干涉式陀螺仪,具有实现高精度陀螺仪的潜力。在阐述了超流体陀螺原理的基础上,分析了超流体陀螺在超流体干涉仪实验装置的研制和相关原理的研究、量程扩展技术研究、噪声特性研究等方面取得的最新成果,并对超流体陀螺的未来发展趋势进行了展望。

SSeS超导结的约瑟夫逊效应

以推广的 Jacobson方法 ,从 Ginzburg- L andau方程出发 ,推导出了 SSe S超导结的直流约瑟夫逊效应 ,从而进一步求得了 SSe S超导结的临界电流与温度之间的关系 。

超导量子干涉器件

超导现象是一种宏观量子现象.磁通量子化和约瑟夫森效应是两个最能体现这种宏观量子特性的物理现象.超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)是利用这两个特性而形成的超导器件.SQUID器件在磁信号灵敏探测方面具有广泛的应用.本文简要介绍低温超导和高温超导SQUID器件的相关背景和发展现状以及应用领域.

含约瑟夫森结电路的特性分析和研究

提出了超导约瑟夫森结模型(并联电阻-电容结模型),给出了约瑟夫森效应的一些重要结果。在分析约瑟夫森结电路方程时,研究了其中出现的混沌特性和子台阶现象。计算获得的结果对混沌数字通信和超导电子学的应用将起到重要作用。

量子计算与超导量子计算机

量子计算是一种基于量子力学相干叠加原理的新型计算体系,具有超越传统计算体系的优越性能。超导量子计算因为其在规模可扩展性方面的潜力而得到广泛的重视。超导约瑟夫森结是超导量子计算机方案中的关键器件,可用来控制超导体中的宏观波函数。阐述了量子计算的发展和优势,介绍了约瑟夫森结的原理以及三种超导量子比特的特性,并分析了面临的挑战。

我国的1V及10V约瑟夫森量子电压基准装置

文章描述了我国量子电压基准的建立、发展、现状和所取得的成果,以及与国际计量局进行基准关键比对的情况。

涨落对约瑟夫逊效应中伏安特性的影响

在零电容条件下,研究了内外噪声对约瑟夫逊结中直流伏安特性曲线的影响。发现当内外噪声同时存在时,由于外涨落的影响,使平均归一化电压,〈V〉减小;当归一化电流α减少到一定程度,外涨落对伏安特性曲线的影响可以忽略。

超导量子干涉器(SQUID)原理及应用

严谨的超导量子干涉器原理的阐述是非常深奥和繁杂的,我们在这里采用简明的物理图像和数学语言论述超导量子干涉器的原理及应用,以推动"大学物理现代化"的进程.

约瑟夫森效应的一种初等阐述

用初等方法导出了约瑟夫森公式，阐述了约瑟夫森效应及其简单应用．

一个带阻尼项Josephson振动的半经典模型

在双势阱模型的基础上考虑了Josephson流与凝聚体的相互作用而引起的阻尼效应,得出相对粒子数Z(t)的表达式,并用一个简单的碰撞模型得出Josephson振动的振幅和能量及随时间呈指数衰减,以及凝聚体的质量越大,衰减越慢。

约瑟夫森效应与超导量子电路的基本物理原理

超导电路器件是为数不多的具有量子化能级、叠加态和纠缠等量子特性的宏观器件。这种具有宏观量子特性的器件为实现超导量子计算与组建超导量子计算机打下了硬件基础,2019年谷歌和2021年我国中国科技大学相继实现“量子霸权(Quantum supremacy)”极大地增加了人们在近期构建超导量子计算机的信心。了解超导量子计算有利于增加对物理学前沿发展方向的把握,对非物理专业的理工科背景读者开阔思路也有一定的好处。不同于经典的超导物理教材力图全面的特点,本文根据超导量子计算物理特征和理解超导量子计算的知识背景要求介绍超导量子电路的核心物理原理,力图化简计算推导难度,突出物理图景,以期对超导量子计算建立一个原理层面上的简洁物理图像。

约瑟夫逊结中热涨落效应的研究

讨论了O-U噪声对约瑟夫逊结中伏安特性的影响,结果表明,当考虑热涨落效应时,伏安特性曲线出现“圆拱化”现象;随噪声关联时间增大,零压电流增大,当热涨落参量减小到一定值时,伏安特性曲线中的“圆拱化”现象消失。