Джозефсона эффект. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

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

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.