利用金屬-真空-超導(dǎo)結(jié)進(jìn)行電子隧穿制冷的理論分析.pdf

1、對于凝聚態(tài)物理，低溫、特別是極低溫，是研究凝聚態(tài)的諸多量子特性的重要條件。目前，商用制冷機(jī)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)從室溫到4K以下的連續(xù)調(diào)節(jié)，但是對于1K以下極低溫的獲得，仍需借助于另外的方法，這些方法有：H<,e3>、H<,e4>減壓蒸發(fā)制冷，H<,e3>絕熱壓縮制冷，稀釋制冷，絕熱去磁制冷等。這幾種獲得極低溫的制冷方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)構(gòu)龐大、噪聲大并且運(yùn)行成本高。本論文就是要探討一種獲取超低溫的較簡單的途徑——利用NVS結(jié)進(jìn)行電子隧穿制冷。

2、 金屬一真空一超導(dǎo)體隧道結(jié)簡稱NVS結(jié)，它由冷端——正常金屬層、真空層和熱端——超導(dǎo)金屬層(超導(dǎo)能隙為△)三者組成。利用NVS結(jié)進(jìn)行電子隧穿制冷的原理比較簡單：在最優(yōu)化的直流偏壓V<,bias>(eV<,bias>=△)的作用下，冷端金屬的費(fèi)米能級被抬高到恰好和熱端超導(dǎo)能隙的上邊緣齊平。冷端費(fèi)米能級以上的電子(動能大的電子)較容易隧穿過真空勢壘，到達(dá)熱端，但是因?yàn)槌瑢?dǎo)能隙的限制，費(fèi)米能級以下的電子(動能小的電子)的隧穿幾率將大大減小，又

3、因?yàn)槔涠搜a(bǔ)充進(jìn)來的是平均電子(包括動能大的電子和動能小的電子)，所以導(dǎo)致冷端電子的溫度被降低；而且通過電聲耦合，晶格溫度也被冷卻下來，最終冷端的溫度得以降低。 本論文計(jì)算和分析了利用NVS隧道結(jié)從液氦溫度(4.2K)開始制冷的可行性，并討論了不同的物理參量對制冷功率的影響。計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)外加偏壓取最優(yōu)化的值V<,bias>(eV<,bias>=△)時(shí)，真空層的寬度、超導(dǎo)能隙、金屬的脫出功等參數(shù)對制冷功率都有很大的影響。下面簡要

4、說明： 1、制冷功率的大小隨真空層寬度d的減小近似呈指數(shù)增長的關(guān)系； 2、超導(dǎo)能隙增大，制冷功率將增大，但是制冷效率隨超導(dǎo)能隙的增大而減小，這說明超導(dǎo)能隙的選擇有一個(gè)優(yōu)化值； 3、材料的脫出功越小，制冷效果越好。 利用NVS隧道結(jié)的制冷方法主要有兩大優(yōu)點(diǎn)：首先，可以獲得一個(gè)很寬的溫度范圍，在4K-1mk之間都有可觀的制冷量；其次，相對于傳統(tǒng)的制冷方法而言，這種方法是直接冷卻電子系統(tǒng)，這對于研究電子的性質(zhì)非