渦旋態(tài)參與的約瑟夫森效應

張 沖

(江西師范大學物理系，330022，南昌)

渦旋態(tài)參與的約瑟夫森效應

張 沖

(江西師范大學物理系，330022，南昌)

報道一種新的約瑟夫森效應—渦旋態(tài)參與的約瑟夫森效應。在這種效應中，渦旋束縛態(tài)和Andreev態(tài)的干涉效應導致了約瑟夫森超流的臺階狀演化，并且臺階數(shù)目等于有效導電通道數(shù)目。

約瑟夫森效應；渦旋態(tài)；渦旋態(tài)參與的約瑟夫森效應渦旋態(tài)

0 引言

約瑟夫森效應是一種宏觀量子現(xiàn)象。2塊超導體夾一物理材料構成約瑟夫森結。即使在沒有外加電壓的情況下，Cooper對可以隧穿過約瑟夫森結的現(xiàn)象叫約瑟夫森效應[1]。當約瑟夫森結中的連接材料為正常導體時，其超流形成機制為Andreev反射[2]，Andreev能級能夠輸運Cooper對，從而形成平衡超流[3]，臨界電流(最大電流)隨溫度的升高指數(shù)衰減[4]。若連接材料為量子點，則臨界電流是e△/?的整數(shù)倍[5]，臨界電流隨量子點接觸橫向尺寸增大而階梯狀增加，其中2△是超導帶隙。第2類超導體中的渦旋結構有著非常豐富的物理內(nèi)涵，其中最著名的是Abrikosov渦旋點陣。研究發(fā)現(xiàn)，第2類超導體中的渦旋結構允許束縛定態(tài)的存在，稱之為渦旋束縛態(tài)。渦旋束縛態(tài)也是Andreev態(tài)。Caroli等發(fā)現(xiàn)束縛態(tài)能級間隔約為△2/EF，其中EF為費米能級。

1 渦旋態(tài)參與的約瑟夫森效應

筆者發(fā)現(xiàn)了一種新的約瑟夫森效應—渦旋態(tài)參與的約瑟夫森效應。圖1為設計的約瑟夫森結，兩超導平面由一金屬圓柱面連接，超導平面在連接處中空且在連接處各有一個渦旋結構。在此結構中既存在渦旋束縛態(tài)，又存在Andreev束縛態(tài)。這樣就可研究這2種態(tài)之間的干涉效應及其導致的超流特性。

渦旋線帶有單位磁通，導致超導平面上的配對勢不均勻。超導平面的BdG方程為

(1)

圖1 渦旋SNS結

金屬圓柱面的BdG方程為

(2)

由超導平面和金屬圓柱面的BdG方程(1)、(2)，可以求出超導平面和金屬圓柱面上的波函數(shù)，通過波函數(shù)的連接，求出此結構的Andreev能譜，進而求出電流[6]。

選擇參數(shù)kFR=2，計算金屬圓柱面長度取不同值時的零溫超流—超導相位差的關系(圖2)。

圖2 零溫時渦旋SNS結的超流-相位差關系圖

可以看出：超流隨超導相位差的增大呈現(xiàn)臺階演化，且半周期內(nèi)臺階數(shù)目等于有效導電通道數(shù)目。這一現(xiàn)象還未被報道過，這可以當作渦旋SNS結的“指紋”。這也是本文最為重要的發(fā)現(xiàn)。

2 結論

報道了筆者設計的一種新的約瑟夫森結，該結支持渦旋束縛態(tài)的存在。通過研究，發(fā)現(xiàn)了渦旋態(tài)參與的約瑟夫森效應：超流隨超導相位差的增大呈現(xiàn)臺階演化，且半周期內(nèi)臺階數(shù)目等于有效導電通道數(shù)目。

[1]Josephson B D.Possible new effects in superconductive tunneling[J].Physics Letters,1962,1:251-253.

[2]Andreev A F.Electron spectrum of the intermediate state of superconductors[J].J Expetl Theoret Phys,1965,49:655-660.

[3]Bagwell P F.Suppression of the Josephson current through a narrow,mesoscopic,semiconductor channel by a single impurity[J].Phys Rev B,1992,46:12573-12586.

[4]Kulik I O.Macroscopic quantization and the proximity effect in S-N-S junctions[J].Zh Eksp Teor Fiz,1969,57:1745-1759.

[5]Beenakker C W J,Houten H V.Josephson current through a quantum point contanct short than the coherence length[J].Phys Rev Lett,1991,66:3056-3059.

[6]Zeng Z Y,Zhang C.Vortex-state-mediated Josephson effect[J].arXiv:1403-4645.

Vortex-state-mediatedJosephsonEffect

ZHANG Chong

(Department of Physics,Jiangxi Normal University,330022,Nanchang,PRC)

We report a new kind of Josephson effect-vortex-state-mediated Josephson effect.In such an effect,interference between the vortex bound states and the Andreev states results in step-like evolution of the Josephson supercurrent with increasing the superconducting phase difference,and the number of the supercurrent steps equals to the number of effective conducting modes.

Josephson effect;vortex bound state;vortex-state-mediated Josephson effect

2014-06-12;

2014-07-01

張 沖(1988-)，男，河南原陽人，碩士研究生，研究方向：約瑟夫森效應。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.017

O469

A

1001-3679(2014)04-0499-02