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Diodo Josephson

Um diodo Josephson é um dispositivo eletrônico que superconduz corrente elétrica em uma direção e é resistivo na outra direção. O dispositivo é uma junção Josephson que exibe um efeito de diodo supercondutor (SDE). Trata-se de um exemplo de uma junção Josephson de material quântico (QMJJ), onde a ligação fraca na junção é um material quântico. O efeito diodo Josephson pode ocorrer em dispositivos supercondutores onde a simetria de reversão temporal e a simetria de inversão são quebradas.[1][2]

Os diodos Josephson podem ser subdivididos em duas categorias: aqueles que requerem um campo (magnético) externo e aqueles que não requerem um campo magnético externo; os chamados diodos Josephson "sem campo". Em 2021, o diodo Josephson foi realizado na ausência de campo magnético aplicado em um material não centrosimétrico,[3] seguido logo depois pela primeira realização do diodo Josephson sem campo em um dispositivo com simetria de inversão.[4]

História

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Esquema exemplo do primeiro diodo Josephson sem campo usando NbSe2 e Nb3Br8[3]

O diodo Josephson é nomeado em homenagem ao físico britânico Brian David Josephson, que previu o Efeito Josephson; e ao diodo resistivo, já que possui uma função similar. Em 2007, um "diodo Josephson" foi proposto com um design semelhante às junções p-n convencionais em semicondutores, mas utilizando supercondutores dopados com buracos e elétrons.[5] Isso é diferente do "diodo fluxônico Josephson" que foi introduzido antes dos anos 2000.[6][7][8][9] Também é diferente de como o termo é atualmente utilizado, onde um diodo Josephson é uma junção Josephson que exibe um efeito de diodo supercondutor.

Em 2020, um efeito de diodo supercondutor foi demonstrado em uma super-rede artificial [Nb/V/Ta]n.[10] Em 2021, um efeito de diodo supercondutor sem campo foi realizado em uma heteroestrutura de van der Waals de NbSe2/Nb3Br8/NbSe2 - um diodo Josephson. Esta heteroestrutura é uma junção Josephson de material quântico, na qual o elo fraco (Nb3Br8) é um material quântico que se prevê ser um isolante atômico obstruído / isolante de Mott, e é não centrossimétrico, o que significa que distingue entre elétrons com momentum positivo e negativo.[3][11][12][13] Pouco depois, um efeito de diodo de campo zero foi observado em pequenos ângulos de torção do grafeno tricamada, um sistema que possui simetria de inversão no plano;[4] neste caso, o próprio estado supercondutor é responsável pela quebra da Simetria de reversão temporal e da simetria de inversão no plano.

Efeito do diodo supercondutor

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O efeito do diodo supercondutor é um exemplo de supercondutividade não recíproca, onde um material é supercondutor em uma direção e resistivo na outra. Isso leva à Retificação de meia onda quando uma onda quadrada de corrente alternada é aplicada. Em 2020, esse efeito foi demonstrado em uma super-rede artificial [Nb/V/Ta]n.[10] O fenômeno no diodo Josephson é acreditado originar-se do tunelamento assimétrico de Josephson.[3] Ao contrário dos diodos de junção semicondutores convencionais, o efeito do diodo supercondutor pode ser realizado em junções Josephson, bem como em supercondutores em massa sem junção.[14]

Teorias

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Atualmente, o mecanismo preciso por trás do efeito do diodo Josephson não é totalmente compreendido. No entanto, algumas teorias surgiram e estão agora sob investigação teórica. Existem dois tipos de diodos Josephson, relacionados com quais simetrias estão sendo quebradas. O diodo Josephson que quebra a inversão, e o diodo Josephson que quebra a inversão e a reversão temporal. O requisito mínimo de quebra de simetria para a formação do diodo Josephson é a quebra da simetria de inversão e é necessário para obter transporte não recíproco.[15] Um mecanismo proposto tem origem nos pares de Cooper com momento finito.[1][2] Também é possível que o efeito do diodo supercondutor no JD tenha origem nos efeitos de auto-campo, mas isso ainda precisa ser estudado rigorosamente.[16][17]

Referências

  1. ↑ a b Scammell, Harley D; Li, J I A; Scheurer, Mathias S (1 de abril de 2022). «Theory of zero-field superconducting diode effect in twisted trilayer graphene». 2D Materials. 9 (2). 025027 páginas. arXiv:2112.09115 . doi:10.1088/2053-1583/ac5b16 
  2. ↑ a b Davydova, Margarita; Prembabu, Saranesh; Fu, Liang (10 de junho de 2022). «Universal Josephson diode effect». Science Advances. 8 (23): eabo0309. PMC 9176746 . PMID 35675396. doi:10.1126/sciadv.abo0309. hdl:1721.1/146053 
  3. ↑ a b c d Wu, Heng; Wang, Yaojia; Xu, Yuanfeng; Sivakumar, Pranava K.; Pasco, Chris; Filippozzi, Ulderico; Parkin, Stuart S. P.; Zeng, Yu-Jia; McQueen, Tyrel; Ali, Mazhar N. (abril de 2022). «The field-free Josephson diode in a van der Waals heterostructure». Nature (em inglês). 604 (7907): 653–656. Bibcode:2022Natur.604..653W. ISSN 1476-4687. PMID 35478238. arXiv:2103.15809 . doi:10.1038/s41586-022-04504-8 
  4. ↑ a b Lin, Jiang-Xiazi; Siriviboon, Phum; Scammell, Harley D.; Liu, Song; Rhodes, Daniel; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Hone, James; Scheurer, Mathias S.; Li, J. I. A. (outubro de 2022). «Zero-field superconducting diode effect in small-twist-angle trilayer graphene». Nature Physics. 18 (10): 1221–1227. arXiv:2112.07841 . doi:10.1038/s41567-022-01700-1 
  5. ↑ Hu, Jiangping; Wu, Congjun; Dai, Xi (9 de agosto de 2007). «Proposed Design of a Josephson Diode». Physical Review Letters. 99 (6). 067004 páginas. Bibcode:2007PhRvL..99f7004H. PMID 17930858. doi:10.1103/PhysRevLett.99.067004 
  6. ↑ Raissi, F.; Nordman, J. E. (3 de outubro de 1994). «Josephson fluxonic diode». Applied Physics Letters. 65 (14): 1838–1840. Bibcode:1994ApPhL..65.1838R. ISSN 0003-6951. doi:10.1063/1.112859 
  7. ↑ Raissi, F.; Nordman, J.E. (junho de 1995). «Comparison of simulation and experiment for a Josephson fluxonic diode». IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 5 (2): 2943–2946. Bibcode:1995ITAS....5.2943R. ISSN 1558-2515. doi:10.1109/77.403209 
  8. ↑ Kadin, A. M. (1 de dezembro de 1990). «Duality and fluxonics in superconducting devices». Journal of Applied Physics. 68 (11): 5741–5749. Bibcode:1990JAP....68.5741K. ISSN 0021-8979. doi:10.1063/1.346969 
  9. ↑ Nordman, James E.; Beyer, James B. (13 de junho de 1995). «Superconductive Electronic Devices Using Flux Quanta.» (em inglês) 
  10. ↑ a b Ando, Fuyuki; Miyasaka, Yuta; Li, Tian; Ishizuka, Jun; Arakawa, Tomonori; Shiota, Yoichi; Moriyama, Takahiro; Yanase, Youichi; Ono, Teruo (agosto de 2020). «Observation of superconducting diode effect». Nature (em inglês). 584 (7821): 373–376. ISSN 1476-4687. PMID 32814888. doi:10.1038/s41586-020-2590-4 
  11. ↑ Xu, Yuanfeng; Elcoro, Luis; Song, Zhi-Da; Vergniory, M. G.; Felser, Claudia; Parkin, Stuart S. P.; Regnault, Nicolas; Mañes, Juan L.; Bernevig, B. Andrei (17 de junho de 2021). «Filling-Enforced Obstructed Atomic Insulators». arXiv:2106.10276  [cond-mat.mtrl-sci] 
  12. ↑ Xu, Yuanfeng; Elcoro, Luis; Li, Guowei; Song, Zhi-Da; Regnault, Nicolas; Yang, Qun; Sun, Yan; Parkin, Stuart; Felser, Claudia; Bernevig, B. Andrei (3 de novembro de 2021). «Three-Dimensional Real Space Invariants, Obstructed Atomic Insulators and A New Principle for Active Catalytic Sites». arXiv:2111.02433  [cond-mat.mtrl-sci] 
  13. ↑ Zhang, Yi; Gu, Yuhao; Weng, Hongming; Jiang, Kun; Hu, Jiangping (2023). «Mottness in two-dimensional van der Waals Nb3X8 monolayers (X=Cl,Br,andI)». Physical Review B. 107 (3). 035126 páginas. Bibcode:2023PhRvB.107c5126Z. arXiv:2207.01471 . doi:10.1103/PhysRevB.107.035126 
  14. ↑ Nadeem, Muhammad; Fuhrer, Michael S.; Wang, Xiaolin (15 de setembro de 2023). «Efeito do diodo supercondutor». Nature Reviews Physics (em inglês). 5 (10): 558–577. ISSN 2522-5820. doi:10.1038/s42254-023-00632-w 
  15. ↑ Zhang, Yi; Gu, Yuhao; Hu, Jiangping; Jiang, Kun (10 de julho de 2022). «General Theory of Josephson Diodes». Physical Review X. 12 (4). 041013 páginas. Bibcode:2022PhRvX..12d1013Z. arXiv:2112.08901 . doi:10.1103/PhysRevX.12.041013 
  16. ↑ Goldman, A. M.; Kreisman, P. J. (10 de dezembro de 1967). «Meissner Effect and Vortex Penetration in Josephson Junctions». Physical Review. 164 (2): 544–547. Bibcode:1967PhRv..164..544G. doi:10.1103/PhysRev.164.544 
  17. ↑ Yamashita, Tsutomu; Onodera, Yutaka (1 de agosto de 1967). «Magnetic‐Field Dependence of Josephson Current Influenced by Self‐Field». Journal of Applied Physics. 38 (9): 3523–3525. Bibcode:1967JAP....38.3523Y. ISSN 0021-8979. doi:10.1063/1.1710164 
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