Josephsonův efekt

Josephsonův jev je jev supravodivého proudu protékajícího tenkou dielektrickou vrstvou oddělující dva supravodiče . Takový proud se nazývá Josephsonův proud a takové spojení supravodičů se nazývá Josephsonův kontakt . Josephsonova původní práce předpokládala, že tloušťka dielektrické vrstvy je mnohem menší než délka supravodivé koherence , ale následné studie ukázaly, že účinek přetrvává při mnohem větších tloušťkách.

Historie

Britský fyzik B. Josephson v roce 1962 na základě Bardeen-Cooper-Schriefferovy teorie supravodivosti [1] předpověděl stacionární a nestacionární efekty v kontaktu supravodič-izolátor-supravodič. Stacionární efekt byl experimentálně potvrzen americkými fyziky F. Andersonem a J. Rowellem v roce 1963 .

V roce 1932 němečtí fyzici W. Meissner a R. Holm ukázali [2] , že odpor malého kontaktu mezi dvěma kovy zmizí, když oba kovy přejdou do supravodivého stavu. Jeden z Josephsonových efektů byl tedy pozorován třicet let před jeho předpovědí.

Popis efektu

Existují stacionární a nestacionární Josephsonovy efekty.

Stacionární efekt

Při průchodu proudu kontaktem, jehož hodnota nepřesahuje kritickou hodnotu, nedochází na kontaktu k žádnému poklesu napětí (i přes přítomnost dielektrické vrstvy). Tento efekt je způsoben tím, že vodivé elektrony procházejí dielektrikem bez odporu v důsledku tunelového efektu . Netriviálnost efektu spočívá v tom, že supravodivý proud je přenášen korelovanými páry elektronů ( Cooperovy páry ) a na první pohled by měl být úměrný druhé mocnině tunelové průhlednosti kontaktu a vzhledem k extrémní malosti ten druhý, prakticky nepozorovatelný. Ve skutečnosti je tunelování Cooperova páru specifickým koherentním jevem , jehož pravděpodobnost je v řádu pravděpodobnosti tunelování jediného elektronu, a proto může maximální hodnota Josephsonova proudu dosáhnout hodnoty obvyklého tunelování. proud kontaktem při napětí řádově velikosti mezery v energetickém spektru supravodiče. Podle moderních koncepcí je mikroskopickým mechanismem tunelování Cooperových párů Andreevův odraz kvazičástic lokalizovaných v potenciální jámě v kontaktní oblasti.

Proudová hustota v kvantové mechanice je dána vzorcem , kde je vlnová funkce s modulem a fází . proudová hustota . Všechny elektrony v supravodiči mají stejnou fázi. Když je tunelový kontakt vytvořen ze dvou různých supravodičů, bude takovým kontaktem protékat proud (Josephsonův proud) bez jakéhokoli použitého napětí v závislosti na fázovém rozdílu a hustotě [3] . $j$ $j={\frac {ie\hbar }{2m))(\psi \nabla \psi ^{*}-\psi ^{*}\nabla \psi )$ $\psi =|\psi |e^{i\varphi }$ $|\psi |$ $\varphi$ $j\sim\nabla\psi$ ${\displaystyle \vartheta =\varphi _{1}-\varphi _{2))$ $j=j_{0}\sin \vartheta$

Stacionární Josephsonův efekt v mikrokontaktech

Jedním příkladem Josephsonových přechodů mezi supravodiči jsou balistické bodové kontakty, jejichž charakteristický průměr d je mnohem menší než střední volná dráha nosičů náboje . V takových Josephsonových spojkách se vztahy mezi proudem a fází a velikost kritického proudu výrazně liší od odpovídajících výrazů pro tunelový kontakt. Při teplotách a ( je kritická teplota supravodiče ) je proud vyjádřen vztahem $l$ $I(\varphi )$ $I_{\text{c}}(T)$ $l\gg d$ $0\leqslant T\leqslant T_{\text{c))$ $T_{\text{c))$

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

kde je přechodový odpor v normálním (nesupravodivém) stavu ( Sharvinův odpor ), je šířka supravodičové mezery při dané teplotě. Při kritickém proudu čisté díry [ upřesnit ] dvojnásobek kritického proudu se stejným normálním odporem a závislost proudu na fázi $R_{\text{Sh))$ $\Delta (T)$ $T\na 0$

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

podstoupí skok na . [čtyři] $\varphi =\pm\pi$

Nestacionární efekt

Při průchodu proudu kontaktem, jehož hodnota překročí kritickou hodnotu, dojde na kontaktu k poklesu napětí a kontakt začne vyzařovat elektromagnetické vlny . V tomto případě je frekvence takového záření definována jako , kde je náboj elektronu , je Planckova konstanta . $U$ $\nu=2eU/h$ $E$ $h$

Vzhled záření je způsoben tím, že elektrony spojené do párů , vytvářející supravodivý proud, při průchodu kontaktem získávají přebytečnou energii ve vztahu k základnímu stavu supravodiče . Jediný způsob, jak se pár elektronů vrátit do základního stavu, je emitovat kvanta elektromagnetické energie . $2eU$ $\hbar \omega =2eU$

Použití efektu

Pomocí nestacionárního Josephsonova efektu lze měřit napětí s velmi vysokou přesností.

Josephsonův jev se používá v supravodivých interferometrech obsahujících dva paralelní Josephsonovy přechody. V tomto případě mohou supravodivé proudy procházející kontaktem rušit. Ukazuje se, že kritický proud pro takové spojení je extrémně závislý na vnějším magnetickém poli , což umožňuje použití zařízení pro velmi přesné měření magnetických polí.

Pokud je v Josephsonově přechodu udržováno konstantní napětí, dojde v něm k vysokofrekvenčním oscilacím . Tento efekt, nazývaný Josephsonova generace , poprvé pozorovali I. K. Yanson, V. M. Svistunov a I. M. Dmitrenko. Samozřejmě je možný i opačný proces, Josephsonova absorpce . Josephsonův přechod lze tedy použít jako generátor elektromagnetických vln nebo jako přijímač (tyto generátory a přijímače mohou pracovat ve frekvenčních rozsazích, které jsou jinými metodami nedosažitelné).

V dlouhé Josephsonově křižovatce (LJJ) se soliton (Josephsonův vír) může pohybovat podél křižovatky a přenášet kvantum magnetického toku . Existují také stavy s více solitony, které nesou celočíselný počet tokových kvant. Jejich pohyby jsou popsány nelineární sinusovou-Gordonovou rovnicí . Takový Josephson soliton je podobný Frenkelovi soliton (počet tokových kvant je zachován). Pokud je izolační vrstva nehomogenní, pak se solitony "ulpívají" na nehomogenitách a k jejich posunutí bude muset být přivedeno dostatečně velké vnější napětí. Solitony lze tedy akumulovat a posílat podél přechodu: bylo by přirozené pokusit se je použít pro záznam a přenos informací v systému velkého počtu vzájemně propojených DDC ( kvantový počítač ).

Koncem 80. let 20. století vznikl v Japonsku experimentální procesor založený na Josephsonově efektu. Přestože 4bitová ALU byla v praxi nepoužitelná, tato vědecká studie byla vážným experimentem, který otevírá vyhlídky do budoucna.

V roce 2014 vyvinuli pracovníci Ústavu jaderné fyziky a Fyzikální fakulty Moskevské státní univerzity nový supravodivý mikroobvod pro počítače založený na Josephsonově jevu [5] .

Josephsonova konstanta

Josephsonova konstanta je převrácená hodnota kvanta magnetického toku . Je rovna 483597,8484…⋅10 9 Hz/V [6] . $2e/h$

Význam objevu Josephsonova efektu v dějinách vědy

Poprvé v historii fyziky byl experimentálně objeven vztah mezi fenoménem makrosvěta (elektrický proud) a kvantově mechanickou veličinou (fáze vlnové funkce) [7] .

Viz také

OLIHEŇ

Poznámky

↑ Josephson BD Možné nové efekty v supravodivém tunelování // Physics Letters. - 1962. - Sv. 1 , iss. 7 . - str. 251-253 . - doi : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 .
↑ R. Holm, W. Meissner. Messungen s Hilfe von Flussigem Helium. XIII (německy) // Zeitschrift für Physik. - 1932. - Bd. 74 . - S. 715-735 . - doi : 10.1007/BF01340420 .
↑ Supravodivost a supratekutost, 1978 , str. 36.
↑ I. O. Kulik, A. N. Omelyanchuk . Josephsonův jev v supravodivých mikromostech: mikroskopická teorie // FNT, 1978, sv. 4, č. 3, s. 296-311.
↑ Alexej Poniatov. Supravodivá elektronika pro superpočítače // Věda a život . - 2015. - č. 7 . - S. 49-63 .
↑ Josephsonova konstanta . NIST . Datum přístupu: 16. října 2019. (neurčitý)
↑ Supravodivost a supratekutost, 1978 , str. 37.

Literatura

Likharev KK, Ulrikh BT Systémy s Josephsonovými přechody: základy teorie. - M .: Nakladatelství Moskevské státní univerzity, 1978. - 446 s.
Kresin VZ Supravodivost a supratekutost. — M .: Nauka, 1978. — 187 s.
Tilly D.R., Tilly J. Supratekutost a supravodivost. — M .: Mir, 1977. — 304 s.

Odkazy

Josephsonův efekt - článek z Velké sovětské encyklopedie .
Vědci poprvé viděli srážku „časových krystalů“ // hi-tech.mail.ru, 18. srpna 2020