Josephson effekt

Josephson-effekten är fenomenet med supraledande ström som flyter genom ett tunt dielektriskt skikt som separerar två supraledare . En sådan ström kallas Josephson-ström , och en sådan anslutning av supraledare kallas Josephson-kontakt . Josephsons ursprungliga arbete antog att tjockleken på det dielektriska lagret var mycket mindre än den supraledande koherenslängden , men efterföljande studier visade att effekten kvarstod vid mycket större tjocklekar.

Historik

Den brittiske fysikern B. Josephson förutspådde 1962 , baserat på Bardeen-Cooper-Schrieffer-teorin om supraledning [1] , stationära och icke-stationära effekter i supraledare-isolator-supraledare-kontakten. Den stationära effekten bekräftades experimentellt av de amerikanska fysikerna F. Anderson och J. Rowell 1963 .

1932 visade de tyska fysikerna W. Meissner och R. Holm [2] att motståndet för en liten kontakt mellan två metaller försvinner när båda metallerna övergår i supraledande tillstånd. Således observerades en av Josephson-effekterna trettio år före hans förutsägelse.

Beskrivning av effekten

Det finns stationära och icke-stationära Josephson-effekter.

Stationär effekt

När en ström passerar genom kontakten, vars värde inte överstiger det kritiska värdet, finns det inget spänningsfall över kontakten (trots närvaron av ett dielektriskt skikt). Denna effekt orsakas av det faktum att ledningselektroner passerar genom dielektrikumet utan motstånd på grund av tunneleffekten . Effektens icke-trivialitet är att den supraledande strömmen bärs av korrelerade elektronpar ( Cooper-par ) och, vid första anblicken, bör vara proportionell mot kvadraten av tunneltransparensen för kontakten och, på grund av den extrema litenheten av det sistnämnda, praktiskt taget omöjligt att observera. Faktum är att tunnlingen av ett Cooper-par är en specifik koherent effekt , vars sannolikhet är i storleksordningen av sannolikheten för tunnling av en enskild elektron, och därför kan det maximala värdet av Josephson-strömmen nå värdet för den vanliga tunnlingen ström genom kontakten vid en spänning i storleksordningen av gapet i supraledarens energispektrum . Enligt moderna koncept är den mikroskopiska mekanismen för tunnling av Cooper-par Andreev-reflektionen av kvasipartiklar lokaliserade i en potentiell brunn i kontaktområdet.

Strömtätheten inom kvantmekaniken ges av formeln , där är vågfunktionen med modul och fas . strömtäthet . Alla elektroner i en supraledare har samma fas. När en tunnelkontakt bildas av två olika supraledare kommer en ström (Josephson-ström) att flyta genom en sådan kontakt utan någon pålagd spänning, beroende på fasskillnaden och densiteten [3] . $j$ $j={\frac {ie\hbar }{2m))(\psi \nabla \psi ^{*}-\psi ^{*}\nabla \psi )$ $\psi =|\psi |e^{i\varphi }$ $|\psi |$ $\varphi$ $j\sim\nabla\psi$ ${\displaystyle \vartheta =\varphi _{1}-\varphi _{2))$ $j=j_{0}\sin \vartheta$

Stationär Josephson-effekt i mikrokontakter

Ett exempel på Josephson-övergångar mellan supraledare är ballistiska punktkontakter, vars karakteristiska diameter d är mycket mindre än den genomsnittliga fria vägen för laddningsbärare . I sådana Josephson-kopplingar skiljer sig ström-fas-relationerna och storleken på den kritiska strömmen avsevärt från motsvarande uttryck för en tunnelkontakt. Vid och temperaturer ( är den kritiska temperaturen för supraledaren ), strömmen uttrycks av relationen $l$ $I(\varphi )$ $I_{\text{c}}(T)$ $l\gg d$ $0\leqslant T\leqslant T_{\text{c))$ $T_{\text{c))$

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

där är kontaktresistansen i normalt (icke-supraledande) tillstånd ( Sharvin-resistans ), är supraledargapets bredd vid en given temperatur. Vid den kritiska strömmen i ett rent hål [ klargör ] dubbelt den kritiska strömmen med samma normala resistans, och strömmens beroende av fasen $R_{\text{Sh))$ $\Delta (T)$ $T\ till 0$

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

genomgår ett hopp vid . [fyra] $\varphi =\pm\pi$

Icke-stationär effekt

När en ström passerar genom kontakten, vars värde överstiger det kritiska, uppstår ett spänningsfall på kontakten och kontakten börjar utstråla elektromagnetiska vågor . I detta fall definieras frekvensen av sådan strålning som , där är elektronladdningen , är Plancks konstant . $U$ $\nu=2eU/h$ $e$ $h$

Uppkomsten av strålning beror på det faktum att elektroner kombineras i par , vilket skapar en supraledande ström, när de passerar genom en kontakt, förvärvar överskottsenergi i förhållande till supraledarens jordtillstånd . Det enda sättet för ett elektronpar att återgå till grundtillståndet är att avge ett kvantum av elektromagnetisk energi . $2eU$ $\hbar \omega =2eU$

Tillämpa effekten

Med den icke-stationära Josephson-effekten kan spänningen mätas med mycket hög noggrannhet.

Josephson-effekten används i supraledande interferometrar som innehåller två parallella Josephson-övergångar. I detta fall kan supraledande strömmar som passerar genom kontakten störa. Det visar sig att den kritiska strömmen för en sådan anslutning är extremt beroende av det externa magnetfältet , vilket gör att enheten kan användas för att mäta magnetfält mycket exakt.

Om en konstant spänning upprätthålls i Josephson-övergången, kommer högfrekventa svängningar att inträffa i den . Denna effekt, kallad Josephson generation , observerades först av I. K. Yanson, V. M. Svistunov och I. M. Dmitrenko. Naturligtvis är den omvända processen, Josephson-absorption , också möjlig . Således kan Josephson-övergången användas som en elektromagnetisk våggenerator eller som en mottagare (dessa generatorer och mottagare kan arbeta i frekvensområden som är ouppnåeliga med andra metoder).

I en lång Josephson-korsning (LJJ) kan en soliton (Josephson-virvel) röra sig längs korsningen och överföra ett magnetiskt flödeskvantum . Det finns också multisolitontillstånd som bär ett heltal av flödeskvantor. Deras rörelser beskrivs av en icke-linjär sinus-Gordon-ekvation . En sådan Josephson-soliton liknar en Frenkel-soliton (antalet fluxkvanta bevaras). Om det isolerande skiktet görs inhomogent, kommer solitonerna att "klamra sig fast" vid inhomogeniteterna, och för att flytta dem måste en tillräckligt stor extern spänning appliceras. Således kan solitoner ackumuleras och skickas längs övergången: det skulle vara naturligt att försöka använda dem för att registrera och överföra information i ett system med ett stort antal sammankopplade DDC:er ( kvantdator ).

I slutet av 1980-talet skapades en experimentell processor baserad på Josephson-effekten i Japan. Även om 4-bitars ALU gjorde det otillämpbart i praktiken, var denna vetenskapliga studie ett seriöst experiment som öppnar för framtidsutsikter.

2014 utvecklade anställda vid Institutet för kärnfysik och fakulteten för fysik vid Moscow State University en ny supraledande mikrokrets för datorer baserad på Josephson-effekten [5] .

Josephsons konstant

Josephson-konstanten är den reciproka av det magnetiska flödeskvantumet . Det är lika med 483597.8484…⋅10 9 Hz/V [6] . $2e/h$

Betydelsen av upptäckten av Josephson-effekten i vetenskapens historia

För första gången i fysikens historia upptäcktes experimentellt förhållandet mellan fenomenet makrovärlden (elektrisk ström) och den kvantmekaniska storheten (fas av vågfunktionen) [7] .

Se även

BLÄCKFISK

Anteckningar

↑ Josephson BD Möjliga nya effekter i supraledande tunnling // Physics Letters. - 1962. - Vol. 1 , iss. 7 . - S. 251-253 . - doi : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 .
↑ R. Holm, W. Meissner. Messungen mit Hilfe von flussigem Helium. XIII (tyska) // Zeitschrift für Physik. - 1932. - Bd. 74 . - S. 715-735 . - doi : 10.1007/BF01340420 .
↑ Superconductivity and superfluidity, 1978 , sid. 36.
↑ I. O. Kulik, A. N. Omelyanchuk . Josephson-effekt i supraledande mikrobryggor: mikroskopisk teori // FNT, 1978, vol. 4, nr 3, s. 296-311.
↑ Alexey Poniatov. Supraledande elektronik för superdatorer // Science and life . - 2015. - Nr 7 . - S. 49-63 .
↑ Josephson konstant . NIST . Tillträdesdatum: 16 oktober 2019. (obestämd)
↑ Superconductivity and superfluidity, 1978 , sid. 37.

Litteratur

Likharev KK, Ulrikh BT Systems with Josephson junctions: bases of theory. - M .: Moscow State Universitys förlag, 1978. - 446 sid.
Kresin VZ Supraledning och superfluiditet. — M .: Nauka, 1978. — 187 sid.
Tilly D.R., Tilly J. Superfluiditet och supraledning. — M .: Mir, 1977. — 304 sid.

Länkar

Josephson effekt - artikel från Great Soviet Encyclopedia .
Forskare såg först kollisionen av "tidskristaller" // hi-tech.mail.ru, 18 augusti 2020