Эфект Джозефсана

Эфект Джозефсана — з’ява праходжання звышправоднага току праз тонкі пласт дыэлектрыка, які падзяляе два звышправадніка. Такі ток называюць джозефсанаўскім токам, а такое злучэнне звышправаднікоў — джозефсанаўскім кантактам. У першапачатковай працы Джозефсана меркавалася, што таўшчыня дыэлектрычнага пласта нашмат меншая за даўжыню звышправоднай кагерэнтнасці, але наступныя даследаванні паказалі, што эфект захоўваецца і на значна большых таўшчынях.

Гісторыя

Англійскі фізік Б. Джозефсан ў 1962 годзе на аснове тэорыі звышправоднасці Бардзіна — Купера — Шрыфера ^[1] прадказаў стацыянарныя і нестацыянарныя эфекты ў кантакце звышправаднік-дыэлектрык-звышправаднік. Эксперыментальна стацыянарны эфект быў пацверджаны амерыканскімі фізікамі П. Андэрсанам і Дж. Роуэлам ў 1963 годзе.

У 1932 годзе нямецкія фізікі В. Мейснер і Р. Хольм паказалі(недаступная спасылка), што супраціўленне невялікага кантакту паміж двума металамі знікае, калі абодва металы пераходзяць у звышправодны стан. Выходзіць, што адзін з эфектаў Джозефсана назіраўся за трыццаць гадоў да яго прадказання.

Апісанне эфекту

Адрозніваюць стацыянарны і нестацыянарны эфекты Джозефсана.

Стацыянарны эфект

Пры прапусканні праз кантакт току, велічыня якога не перавышае крытычную, падзенне напружання на кантакце адсутнічае (нягледзячы на наяўнасць пласта дыэлектрыка). Эфект гэты выкліканы тым, што электроны праводнасці праходзяць праз дыэлектрык без супраціўлення за кошт тунэльнага эфекту. Нетрывіяльнасць эфекту складаецца ў тым, што звышправодны ток пераносіцца карэляваными парамі электронаў (купераўскімі парамі) і, на першы погляд, павінен быць прапарцыйны квадрату тунэльнай празрыстасці кантакту і, з прычыны надзвычайнай драбніцы апошняй, практычна неназіральны. У рэчаіснасці тунэляванне купераўскай пары — спецыфічны кагерэнтны эфект, верагоднасць якога парадку верагоднасці тунэлявання адзіночнага электрона, у сувязі з чым максімальная велічыня току Джозефсана можа дасягаць велічыні звычайнага тунэльнага току праз кантакт пры напружанні парадку шчыліны ў энергетычным спектры звышправадніка. Па сучасным уяўленням, мікраскапічным механізмам тунэлявання купераўскіх пар з’яўляецца андрэеўскае адлюстраванне квазічасціц, лакалізаваных ў патэнцыяльнай яме ў галіне кантакту.

Нестацыянарнага эфект

Пры прапусканні праз кантакт току, велічыня якога перавышае крытычную, на кантакце ўзнікае падзенне напружання ${\displaystyle U}$, і кантакт пры гэтым пачынае выпраменьваць электрамагнітныя хвалі. Пры гэтым частата такога выпраменьвання вызначаецца як ${\displaystyle ~\omega ={\frac {2eU}{\hbar }}}$, дзе ${\displaystyle ~e}$ — зарад электрона, ${\displaystyle ~\hbar }$ — пастаянная Планка.

Узнікненне выпраменьвання звязана з тым, што аб’яднаныя ў пары электроны, якія ствараюць звышправодны ток, пры пераходзе праз кантакт набываюць залішнюю ў адносінах да асноўнага стану звышправадніка энергію ${\displaystyle ~2eU}$. Адзіная магчымасць для пары электронаў вярнуцца ў асноўны стан — гэта выпраменьваючы квант электрамагнітнай энергіі ${\displaystyle ~\hbar \omega =2eU}$.

Прымяненне эфекту

Выкарыстоўваючы нестацыянарны эфект Джозефсана, можна вымяраць напружанне з вельмі высокай дакладнасцю.

Эфект Джозефсана выкарыстоўваецца ў звышправодных інтэрферометрах, якія змяшчаюць два паралельных кантакты Джозефсана. Пры гэтым звышправодныя токі, якія праходзяць праз кантакт, могуць інтэрферыраваць. Аказваецца, што крытычны ток для такога злучэння надзвычай моцна залежыць ад вонкавага магнітнага поля, што дазваляе выкарыстоўваць прыладу для вельмі дакладнага вымярэння магнітных палёў.

Калі ў пераходзе Джозефсана падтрымліваць пастаяннае напружанне, то ў ім паўстануць высокачастотныя ваганні. Гэты эфект, званы джозефсанаўскай генерацыяй, упершыню назіралі І. К. Янсан, В. М. Свістуноў і І. М. Дзмітрэнка. Магчымы, вядома, і зваротны працэс — джозефсанаўскае паглынанне. Такім чынам, джозефсанаўскі кантакт можна выкарыстоўваць як генератар электрамагнітных хваль або як прыёмнік (гэтыя генератары і прымачы могуць працаваць у дыяпазонах частот, недасяжных іншымі метадамі).

У доўгім джозефсанаўскім пераходзе (ДДП) уздоўж пераходу можа рухацца саліто (Джозефсанаўскі віхор), пераносячы квант магнітнага патоку. Існуюць і шматсалітонныя станы, якія пераносяць цэлы лік квантаў патоку. Іх руху апісваюцца нелінейным ураўненнем Сінус-Гордана. Такі джозефсанаўскі салітон падобны да салітону Френкеля (лік квантаў патоку захоўваецца). Калі ізалявальны пласт зрабіць неаднародным, то салітоны будуць «чапляцца» за неаднастайнасці, і, каб зрушыць іх, прыйдзецца прыкласці досыць вялікая знешняе напружанне. Такім чынам, салітоны можна назапашваць і перасылаць ўздоўж пераходу: натуральна было б паспрабаваць выкарыстоўваць іх для запісу і перадачы інфармацыі ў сістэме вялікага ліку звязаных паміж сабой ДДП (квантавы камп'ютар).

У канцы 80-х гадоў у Японіі быў створаны эксперыментальны працэсар на эфекце Джозефсана. Хоць 4-разраднае АЛП рабіла яго неўжывальным на практыцы, гэтае навуковае даследаванне было сур’ёзным эксперыментам, што адкрыла перспектывы на будучыню.

Зноскі

1. Josephson B.D., Possible new effects in superconductive tunnelling // Phys. Lett. — 1 (7), 1962 — Р. 251—253.

Літаратура

• Лихарев К. К., Ульрих Б. Т. — Системы с джозефсоновскими контактами: основы теории. — М.: Изд-во МГУ, 1978. — 446 с.

Спасылкі

Эфект Джозефсана — артыкул з БСЭ