Efectul Josephson

Efectul Josephson este fenomenul de curent supraconductor care curge printr-un strat dielectric subțire care separă doi supraconductori . Un astfel de curent se numește curent Josephson , iar o astfel de conexiune a supraconductorilor se numește contact Josephson . Lucrarea originală a lui Josephson presupunea că grosimea stratului dielectric era mult mai mică decât lungimea coerenței supraconductoare , dar studiile ulterioare au arătat că efectul a persistat la grosimi mult mai mari.

Istorie

Fizicianul britanic B. Josephson în 1962, bazat pe teoria supraconductivității Bardeen-Cooper-Schrieffer [1] , a prezis efecte staționare și non-staționare în contactul supraconductor-izolator-superconductor. Efectul staționar a fost confirmat experimental de către fizicienii americani F. Anderson și J. Rowell în 1963 .

În 1932, fizicienii germani W. Meissner și R. Holm au arătat [2] că rezistența unui mic contact între două metale dispare atunci când ambele metale trec în starea supraconductoare. Astfel, unul dintre efectele Josephson a fost observat cu treizeci de ani înainte de predicția sa.

Descrierea efectului

Există efecte Josephson staționare și non-staționare .

Efect staționar

Când trece un curent prin contact, a cărui valoare nu depășește valoarea critică, nu există o cădere de tensiune pe contact (în ciuda prezenței unui strat dielectric). Acest efect este cauzat de faptul că electronii de conducție trec prin dielectric fără rezistență datorită efectului de tunel . Non-trivialitatea efectului este că curentul supraconductor este transportat de perechi corelate de electroni ( perechi Cooper ) și, la prima vedere, ar trebui să fie proporțional cu pătratul transparenței de tunel a contactului și, datorită micimii extreme a acesta din urmă, practic neobservabil. De fapt, tunelarea unei perechi Cooper este un efect coerent specific , a cărui probabilitate este de ordinul probabilității de tunelare a unui singur electron și, prin urmare, valoarea maximă a curentului Josephson poate atinge valoarea tunelului obișnuit. curent prin contact la o tensiune de ordinul golului din spectrul energetic al supraconductorului. Conform conceptelor moderne, mecanismul microscopic de tunelizare a perechilor Cooper este reflexia Andreev a cvasiparticulelor localizate într-un put de potențial din regiunea de contact.

Densitatea de curent în mecanica cuantică este dată de formula , unde este funcția de undă cu modul și fază . densitatea de curent . Toți electronii dintr-un supraconductor au aceeași fază. Atunci când un contact tunel este format din doi supraconductori diferiți, un curent (curent Josephson) va circula printr-un astfel de contact fără nicio tensiune aplicată, în funcție de diferența de fază și densitate [3] . $j$ $j={\frac {ie\hbar }{2m)}(\psi \nabla \psi ^{*}-\psi ^{*}\nabla \psi )$ $\psi =|\psi |e^{i\varphi }$ $|\psi |$ $\varphi$ $j\sim\nabla\psi$ $\vartheta =\varphi _{1}-\varphi _{2)$ $j=j_{0}\sin \vartheta$

Efectul Josephson staționar în microcontacte

Un exemplu de joncțiuni Josephson între supraconductori sunt contactele punctuale balistice, al căror diametru caracteristic d este mult mai mic decât calea liberă medie a purtătorilor de sarcină . În astfel de cuplari Josephson, relațiile curent-fază și mărimea curentului critic diferă semnificativ de expresiile corespunzătoare pentru un contact tunel. La și temperaturi ( este temperatura critică a supraconductorului ), curentul este exprimat prin relație $l$ $I(\varphi )$ $I_{\text{c}}(T)$ $l\gg d$ $0\leqslant T\leqslant T_{\text{c}}$ $T_{\text{c)}$

{\ displaystyle I (\ varphi ) = {\ frac {\ pi \ Delta (T)} {eR_ {\ text {Sh}}}) \ sin (\ varphi /2) \ operatorname {th} \left[{\ frac {\Delta (T)\cos(\varphi /2)}{2T}}\right],}

unde este rezistența de contact în stare normală ( nesuperconductoare) (rezistența Sharvin ), este lățimea spațiului supraconductor la o temperatură dată. La curentul critic al unei găuri curate [ clarifica ] de două ori curentul critic cu aceeași rezistență normală și dependența curentului de fază $R_{\text{Sh)}$ $\Delta (T)$ $T\la 0$

I(\varphi)={\frac {\pi\Delta (0)}{eR_{\text{Sh}}))\sin(\varphi /2),\quad -\pi <\varphi < \pi ,

suferă un salt la . [patru] $\varphi =\pm\pi$

Efect non-staționar

Când trece un curent prin contact, a cărui valoare o depășește pe cea critică, are loc o cădere de tensiune pe contact , iar contactul începe să radieze unde electromagnetice . În acest caz, frecvența unei astfel de radiații este definită ca , unde este sarcina electronului , este constanta lui Planck . $U$ $\nu=2eU/h$ $e$ $h$

Apariția radiației se datorează faptului că electronii combinați în perechi , creând un curent supraconductor, atunci când trec printr-un contact, dobândesc energie în exces în raport cu starea fundamentală a supraconductorului . Singura modalitate prin care o pereche de electroni se întoarce la starea fundamentală este să emită o cantitate de energie electromagnetică . $2eU$ $\hbar \omega =2eU$

Aplicarea efectului

Folosind efectul Josephson non-staționar, tensiunea poate fi măsurată cu o precizie foarte mare.

Efectul Josephson este utilizat la interferometrele supraconductoare care conțin două joncțiuni Josephson paralele. În acest caz, curenții supraconductori care trec prin contact pot interfera. Se dovedește că curentul critic pentru o astfel de conexiune este extrem de dependent de câmpul magnetic extern , ceea ce permite dispozitivului să fie utilizat pentru a măsura câmpurile magnetice foarte precis.

Dacă se menține o tensiune constantă în joncțiunea Josephson, atunci vor apărea oscilații de înaltă frecvență în ea . Acest efect, numit generația Josephson , a fost observat pentru prima dată de I. K. Yanson, V. M. Svistunov și I. M. Dmitrenko. Desigur, este posibil și procesul invers, absorbția Josephson . Astfel, joncțiunea Josephson poate fi folosită ca generator de unde electromagnetice sau ca receptor (aceste generatoare și receptoare pot funcționa în intervale de frecvență care nu sunt atinse prin alte metode).

Într-o joncțiune Josephson lungă (LJJ), un soliton (vortexul Josephson) se poate deplasa de-a lungul joncțiunii , transferând un cuantum de flux magnetic . Există, de asemenea, stări multisoliton care poartă un număr întreg de cuante de flux. Mișcările lor sunt descrise printr-o ecuație neliniară sinus-Gordon . Un astfel de soliton Josephson este similar cu un soliton Frenkel (numărul de cuante de flux este conservat). Dacă stratul izolator este făcut neomogen, atunci solitonii se vor „prinde” de neomogenități, iar pentru a le deplasa va trebui aplicată o tensiune externă suficient de mare. Astfel, solinii pot fi acumulați și trimiși de-a lungul tranziției: ar fi firesc să încercăm să-i folosiți pentru înregistrarea și transmiterea informațiilor într-un sistem de un număr mare de DDC-uri interconectate ( calculator cuantic ).

La sfârșitul anilor 1980, în Japonia a fost creat un procesor experimental bazat pe efectul Josephson. Deși ALU pe 4 biți a făcut-o inaplicabilă în practică, acest studiu științific a fost un experiment serios care deschide perspective pentru viitor.

În 2014, angajații Institutului de Fizică Nucleară și ai Facultății de Fizică a Universității de Stat din Moscova au dezvoltat un nou microcircuit supraconductor pentru computere bazat pe efectul Josephson [5] .

constanta lui Josephson

Constanta Josephson este reciproca cuantumului fluxului magnetic . Este egal cu 483597,8484…⋅10 9 Hz/V [6] . $2e/h$

Semnificația descoperirii efectului Josephson în istoria științei

Pentru prima dată în istoria fizicii, a fost descoperită experimental relația dintre fenomenul macrolumii (curent electric) și mărimea mecanică cuantică (faza funcției de undă) [7] .

Vezi și

CALMAR

Note

↑ Josephson BD Noi efecte posibile în tunelarea supraconductivă // Physics Letters. - 1962. - Vol. 1 , iss. 7 . - P. 251-253 . - doi : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 .
↑ R. Holm, W. Meissner. Messungen mit Hilfe von flussigem Helium. XIII (germană) // Zeitschrift für Physik. - 1932. - Bd. 74 . - S. 715-735 . - doi : 10.1007/BF01340420 .
↑ Superconductivity and superfluidity, 1978 , p. 36.
↑ I. O. Kulik, A. N. Omelyanchuk . Efectul Josephson în micropunțile supraconductoare: teoria microscopică // FNT, 1978, vol. 4, nr. 3, pp. 296-311.
↑ Alexei Poniatov. Electronică supraconductoare pentru supercalculatoare // Știință și viață . - 2015. - Nr 7 . - S. 49-63 .
↑ Constanta Josephson . NIST . Data accesului: 16 octombrie 2019. (nedefinit)
↑ Superconductivity and superfluidity, 1978 , p. 37.

Literatură

Likharev KK, Ulrikh BT Sisteme cu joncțiuni Josephson: bazele teoriei. - M .: Editura Universității de Stat din Moscova, 1978. - 446 p.
Kresin VZ Supraconductivitate și superfluiditate. — M .: Nauka, 1978. — 187 p.
Tilly D.R., Tilly J. Superfluiditate și supraconductivitate. — M .: Mir, 1977. — 304 p.

Link -uri

Efectul Josephson - articol din Marea Enciclopedie Sovietică .
Oamenii de știință au văzut pentru prima dată ciocnirea „cristalelor timpului” // hi-tech.mail.ru, 18 august 2020