Глоссарий по физике

Джозефсона эффект

Джозефсона эффект - протекание сверхпроводящего тока через тонкую изолирующую или несверхпроводящую прослойку между двумя сверхпроводниками (т. н. джозефсоновский контакт). Эффект был теоретически предсказан Б. Джозефсоном (В. Josephson, 1962) [1]. Д. э. обнаруживается при изучении вольт-амперной характеристики (BAX) джозефсоновских контактов (ДК). При пропускании через ДК достаточно слабого тока напряжение на контакте отсутствует, т. е. ток является чисто сверхпроводящим (джозефсоновский ток). Его существование связано с неполным разрушением куперовских пар электронов (см. Купера эффект) при их прохождении через очень тонкую несверхпроводящую прослойку. Такой режим называется стационарным Д. э. (экспериментально обнаружен в 1963 [2]). При увеличении тока через контакт и достижении им нек-рой величины I_C на контакте возникает напряжение. Значение критич. джозеф-соновского тока I_С зависит от свойств контакта, температуры и магн. поля. Ток I_С складывается из тока сверхпроводящих (спаренных) электронов, к-рый теперь становится переменным (его частота зависит от напряжения на контакте), и тока, обусловленного прохождением через прослойку нормальных (несверхпроводящих) электронов. Режим при токе I_С наз. нестационарным Д. э.

Согласно теории сверхпроводимости, сверхпроводящие (спаренные) электроны характеризуются единой волновой функцией, фаза к-рой плавно меняется вдоль сверхпроводника при протекании по нему тока (фазовая когерентность сверхпроводящих электронов). При прохождении сверхпроводящих электронов через несверхпроводящую прослойку фазовая когерентность частично (в меру отношения толщины прослойки к т. н. длине когерентности) разрушается и протекание джозефсоновского тока через прослойку сопровождается скачком фазы волновой функции сверхпроводящих электронов на этой прослойке - фазы волновой функции в сверхпроводниках по обe стороны от прослойки. При этом ток через контакт равен

Из ф-лы (1) видно,что джозефсоновский ток не может превышать I_С.

Величина I_С и механизм прохождения электронов через прослойку зависят от типа прослойки. Одним из типичных примеров ДК является туннельный контакт, состоящий из двух одинаковых или разл. сверхпроводников (обычно в виде тонких плёнок), разделённых очень тонким слоем диэлектрика, напр. слоем окисла материала одного из сверхпроводящих электродов. Протекание тока через прослойку в этом случае обусловлено квантовым туннелированием электронов (см. Туннельный эффект) через непроводящий барьер. Для получения измеримого джозефсоновского тока толщина изолирующей прослойки должна быть ок. 10-20 А. На рис. для примера изображена типичная BAX для туннельного контакта из одинаковых сверхпроводников. Стрелками показано направление изменения тока. Если увеличивать ток, то происходит описанный выше переход из стационарного в нестационарный режим Д. э. При уменьшении тока нестационарный Д. э. может сохраниться до значений тока, меньших критического (т. е. туннельный контакт проявляет гистерезис).

Вольт-амперная характеристика (BAX) туннельного контакта Sn- Sn при температуре 1,4 К (прослойка - плёнка оксида олова).

При нестационарном Д. э. разность фаз на контакте зависит от времени:

где V - напряжение на контакте, е - заряд электрона. Ур-ние (2) является следствием Шрёдингера уравнения для волновой функции пары сверхпроводящих электронов при наличии постоянной потенц. энергии 2eV и не связано с наличием прослойки, а имеет общий характер. Частота w сверхпроводящего тока через контакт определяется соотношением:

Соотношения (2) и (3) называются соотношениями Джозефсона.

Нестационарный Д. э можно рассматривать также как прохождение сверхпроводящих электронов через прослойку, сопровождающееся изменением их энергии на величину 2eV в расчёте на каждую куперовскую пару. При этом процессе испускаются кванты эл.- магн. излучения с частотой , связанной с изменением энергии соотношением (3). T. о., при нестационарном Д. э. контакт, находящийся при пост. напряжении, генерирует перем. сверхпроводящий ток. Имеет место и обратный процесс: при облучении джозефсоновского контакта СВЧ-излучением с частотой , удовлетворяющей условию

(п - целое число), прохождение сверхпроводящих электронов через контакт происходит с поглощением п фотонов внеш. поля, что приводит к появлению дополнит. тока через контакт, т. е. к возникновению на BAX участков с нулевым дифференциальным сопротивлением. Наблюдение таких участков и явилось первым косвенным обнаружением нестационарного Д. э. в 1963 [3]. Прямое наблюдение генерации СВЧ-излучения джозефсоновским контактом, находящимся под пост. напряжением, было осуществлено в 1965 [4].

Кроме туннельных структур джозефсоновские контакты могут представлять собой т. н. слабосвязанные сверхпроводники, т. е. два сверхпроводника, соединённых узким и коротким сверхпроводящим или нормальным "мостиком", тонкой прослойкой нормального металла либо с помощью точечного контакта. Аналог нестационарного Д. э. наблюдается также в очень узких однородных сверхпроводящих проволочках, где джозефсоновская генерация возникает при пропускании достаточно большого тока. Совокупность явлений, связанных с Д. э. в разл. системах, носит назв. слабой сверхпроводимости [5,6,7].

Д. э. подтверждает осн. концепцию совр. теории сверхпроводимости - наличие единой волновой функции и фазовой когерентности спаренных электронов в сверхпроводящем состоянии. По своей доступности эксперим. исследованию Д. э. представляет собой одну из уникальных возможностей изучать проявления квантовых свойств микромира в макроскопич. масштабе.

Д. э. используют в целом ряде криогенных приборов. Соотношение (1) является основой практич. использования стационарного Д. э. в т. н. сверхпроводящих квантовых интерферометрах (сквидах). ДК могут применяться в качестве генераторов и -детекторов СВЧ-диапазона. Свойство ДК переключаться с нулевого на конечное напряжение при превышении током критич. значения в совокупности с малой ёмкостью позволяет использовать их в качестве быстродействующих логич. элементов ЭВМ [7, 8]. Соотношение (4) может использоваться для уточнения фундаментальных физических констант и создания стандартов напряжения. На основе Д. э. совр. методами измерено отношение =4,83594000*10¹⁴ Гц/В с погрешностью 2*10^-8, что позволяет создать стандарт вольта с погрешностью ~10^-9.

Литература по Джозефсона эффекту

1. Josephson B. D., Possible new effects in superconductive tunneling, "Phys. Lett.", 1962, v. 1, p. 251;
2. Anderson P. W., Rоwell J. M., Probable observation of the Josephson superconducting tunneling effect, "Phys. Rev. Lett.", 1963, v. 10, p. 230;
3. Shapirо S., Josephson currents in superconducting tunneling: the effect of microwaves and other observations, там же, 1963, v. 11,p. 80;
4. Янсон И.К., Свистунов В. М., Дмитренко И. M., Экспериментальное наблюдение туннельного аффекта для куперовских пар с излучением фотонов, "ЖЭТФ", 1965, т. 48, с. 976;
5. Кулик И. О., Янсон И. К, Эффект Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах, M., 1970,
6. Бароне А., Патерно Д., Эффект Джозефсона: физика и применения, пер. с англ., M , 1984;
7. Лихарев К. К., Введение в динамику джозефсоновских переходов, M., 1985.

H. Б. Копнин