Nb / Al – AlO x – Nb superconducting heterostructures: A promising class of self-shunted Josephson junctions

Abstract

The measurements of dc Josephson and quasiparticle current-voltage characteristics of four-layered Nb/Al–AlOx–Nb devices with a fixed Nb thickness of 270 nm and Al thicknesses ranging from 40 to 120 nm are reported and analyzed in the framework of a microscopic model developed to determine stationary properties of dirty limit double-barrier junctions. It is shown that the temperature dependence of the supercurrent as well as the values of characteristic voltages are well reproduced by the model calculations with only one fitting parameter. We have revealed a hysteretic-to-nonhysteretic transition in the current-voltage characteristics of our junctions at temperatures near 4.2 K and argue that this effect is caused by two factors: high-transparency insulating barrier with a broad distribution of the transmission coefficient and the temperature as a tuning parameter, which decreases the McCumber–Stewart parameter from values above unity at low temperatures to less than one above 4.2 K. Finally, we show how and why the temperature stability of the proposed Josephson devices can be significantly improved by choosing an appropriate Al thickness.

Josephson Junctions for Present and Next Generation Voltage Metrology

“…Conversely, once chosen Al thickness and AlOx exposure values, this transition is observed as function of the junction temperature in measurements below 4.2 K (see Figure 7) [63]. The specific normal conductance of these devices ranges from 0.3 10 8 Ohm -1 cm -2 to 0.7 10 8 Ohm -1 cm -2 and, hence, is of the same order of magnitude as that in high-currentdensity single-barrier Josephson junctions and double-barrier SINIS heterostructures [54].…”

“…Even more complex circuits, comprehending RSFQ electronics as a pattern generator of pulses, followed by semiconductor amplifier and a Josephson junction series array as a quantizer are studied, and realization of preliminary building blocks is in progress. The main difference respect to the structure of the basic Nb/AlOx/Nb SIS junctions is the thickness of the aluminum film which is increased at tens of nm, up to about 100 nm, and the augmented transparency of the AlOx [53], [54].…”

Universal Character of Tunnelling Conductance of Metal–Insulator–Metal Heterostructures with Nanosize Oxide Interlayers

“…Дальнейший шаг в этом направлении был сделан в работе [23], в которой измерялись вольтамперные характеристики четырехслой-ных структур Nb/Al-AlO x -Nb, где одна из обкладок джозефсонов-ского контакта представляла собой бислой из двух металлических пленок -ниобиевой (толщиной d Nb ≅ 270 нм) и алюминиевой, толщина которой d Al менялась от 40 до 150 нм. Время окисления алюминиевой плёнки (а, значит, и толщина оксидного барьера) бы-ло существенно меньшим, чем в стандартной ниобиевой технологии приготовления джозефсоновских контактов [24], поэтому удельная проводимость в нормальном состоянии (2…”

“…Основная идея работы [23] заключалась в следующем: во-первых, с помощью дополнительной алюминиевой прослойки можно было модифицировать вероятности многократных андреевских отражений и сравнивать измеренные для S/N-I-S-образцов значения отношения R sg /R N с рассчитанны-ми; во-вторых, изменение толщины d Al позволило установить ис-точник разброса прозрачностей D переходной области между сверхпроводящими обкладками; в-третьих, впервые была изучена температурная зависимость отношения R sg /R N . В работе [23] S/N-I-S-переход рассматривался как асимметричная S 1 IS 2 -структура, где S 1 -это S/N-бислой. Из-за эффекта близости Nb-слой индуци-рует в тонкой Al-плёнке сверхпроводящий параметр порядка, кото-рый в общем случае является функцией энергии квазичастичного возбуждения ε, отсчитанной от фермиевского уровня.…”

“…Необходимо сразу же отметить, что указанное неравенство не выполняется в экспери-ментах [20,23], где, напротив, L > λ F , хотя распределение прозрач-ностей, действительно, соответствует результату Шепа и Бауэра. Значит, область применимости формулы (5) намного шире условий, при которых она была получена.…”