Josephsoni efekt

Josephsoni efekt on ülijuhtivusvoolu üks nähtustest, mille korral elektrivool läheb läbi õhukese dielektrikukihi (isoleerkihi), mis eraldab kaht ülijuhti. Niisugust struktuuri ülijuht-mittejuht-ülijuht nimetatakse Josephsoni kontaktiks või Josephsoni siirdeks, lühend SIS (inglise keele sõnadest superconductor–insulator–superconductor) või SNS (superconductor–non-conductor–superconductor). Üldjuhul eraldab ülijuhte mingi oksiid, näiteks AlO või NbO.

L ja R on ülijuhid, mis võivad olla samast või ka erinevast materjalist. Isoleerkihi I paksus on 1 nanomeeter^[1]

Josephsoni kontaktis ei moodusta voolu elektronid (nagu harilikes elektrijuhtides), vaid nn Cooperi paarid, nagu see on esitatud BCS-teoorias.

See efekt on nime saanud Brian David Josephsoni järgi, kes 1962. aastal püstitas hüpoteesi, et ülijuhtivusvool võib olla ka kahe ülijuhi vahel, mis on õhukese isoleerkihiga eraldatud. Enne seda hüpoteesi oli juba kirjeldatud tunneliefekti. Esimese avaliku artikli Josephsoni efektist ja ka katselistest tõestusest kirjutasid Philip Anderson ja John Rowell.^[2]

Ülijuhtivus oli füüsikutele põnev nähtus, kuid ligi pool sajandit ei osanud keegi seletada, miks ja kuidas see tekib. Alles 1957. aastal näitasid ameeriklased John Bardeen, Leon Cooper ja Robert Schrieffer teoreetiliselt, et metalljuhi takistus kaob seetõttu, et elektronid moodustavad paarid. Sellised Cooperi paarid juhivad voolu takistuseta. Josephson oli esimene, kes ennustas ülijuhtivate Cooperi paaride tunneleerumist. Selle töö eest sai Josephson 1973. aastal füüsikaauhinna.^[3]

Ajalugu

1962. aastal püstitas 22-aastane Brian Josephson märkimisväärse hüpoteesi, et kaks õhukese isoleeriva kihiga eraldatud ülijuhti peaksid tekitama lõputult liikuva elektrivoolu, nii et pinget ühendusele rakendama ei pea. Ja kui rakendada piiratud (alalisvoolu) pinge, siis tekiks vahelduvvool.

Räägitakse, et Brian Josephson tegi oma arvutuse (1962) osana Phil Andersoni kodutöö probleemi lahendamisest. Anderson oli sel ajal Cambridge'is õppejõud ja pidas seal loengusarja, milles ta mainis ülijuhtidevahelise tunneleerumise probleemi, mille Josephson kohe ära lahendas. Algselt oli idee vastu John Bardeen, kes arvas, et Cooperi paaride tekkimine ei ole võimalik siirde piirkonnas. Tänapäeval me teame, et Josephsoni efekt võib esineda mitmesugustes olukordades, kui kaks ülijuhti on eraldatud mingisuguse tõkkega, mis võib olla isoleeriv kiht, tavaline metall või kitsendus.^[4]

Efekti olemus

Kui materjal muutub ülijuhtivaks, moodustavad elektronid Cooperi paarid ja tekitavad kollektiivse kvantlaine. Kui kahte ülijuhti eraldav isoleerkiht on väga õhuke (ainult mõni nanomeeter), siis võivad elektronpaarid läbida dielektrikut tänu tunneliefektile. Kui Cooperi paarid selliselt ühest ülijuhist teise tunneleeruvad, siis tekibki elektrivool. Iga ülijuhti iseloomustab kvantmehaaniline suurus, mida kutsutakse faasiks. Üle siirde tekkiv elektrivool on alalisvool, mille väärtus on võrdeline kahe ülijuhi faasierinevuse siinusega. Seda tuntakse ka kui alalisvoolu Josephsoni efekt.^[5]

Kui alalisvoolu tugevus ületab kriitilise väärtuse, siis tekib alalispingelang ja siire hakkab kiirgama elektromagnetlainet sagedusega ${\displaystyle \nu ={\frac {2eU}{h}},}$ kus ${\displaystyle e}$ on elektroni laeng ja ${\displaystyle h}$ on Plancki konstant.

See sagedus ei sõltu ülijuhtide omadustest (kriitiline temperatuur, keemiline koostis), vaid ainult rakendatavast pingest ${\displaystyle U}$. Selline seos võimaldab luua perfektse pinge-sageduse muunduri. Tuntakse ka Josephsoni pöördefekti rakendusi täiusliku sageduse-pinge muunduri kujul.^[5]

Josephsoni efekti kirjeldavad põhiseosed on järgmised:^[6]

${\displaystyle U(t)={\frac {\hbar }{2e}}{\frac {\partial \varphi }{\partial t}}}$ (ülijuhi faasi kirjeldav seos)

${\displaystyle I(t)=I_{c}\sin(\varphi (t))}$ (Josephsoni siirde voolu ja faasi seos)

kus ${\displaystyle U(t)}$on pinge, mis on rakendatud Josephsoni kontaktile ja ${\displaystyle I(t)}$on vool läbi selle kontakti, ${\displaystyle \varphi (t)}$on faas ja ${\displaystyle I_{c}}$on kriitilise alalisvoolu väärtus. Kriitiline vool on oluline parameeter, mida võib mõjutada nii temperatuur kui ka rakendatav magnetväli.

Rakendused

Josephsoni efektil on mitmeid praktilisi rakendusi.

SQUID

${\displaystyle I_{b}}$ on sisendvool, ${\displaystyle I_{0}}$ on SQUIDi kriitiline vool, ${\displaystyle \Phi }$ on SQUIDI magnetvoog ja ${\displaystyle V}$ on pinge, mis vastab sellele magnetvoole. X-id tähistavad Josephsoni siiret

Josephsoni efekti kasutatakse edukalt ülijuhtivates kvantinterferentsseadistes, lühend SQUID (ingl superconducting quantum interference device), mille abil tehakse ülitäpsemaid magnetvoo kvandi ${\displaystyle \Phi _{0}=h/2e}$ mõõtmisi. Josephsoni efekt on magnetvälja väärtuse suhtes väga tundlik, sest ülijuhtide faasi muutust saab siduda magnetvooga. Seda suurt tundlikkust kasutada väga täpsete magnetvälja mõõteseadmete ehitamiseks.^[7]

Alalisvoolu SQUID koosneb kahest Josephsoni siirdest. SQUID on mitmekülgne vahend. Esiteks on seda kasutatud magnetväljade väga väikeste muutuste mõõtmiseks. Lisaks võib see olla kasutusel koos välise vooluahelaga ülinorgu signaali galvanomeetri, voltmeetri ja oommeetrina.^[8][9]

Tänu nende tundlikkusele ja mitteinvasiivsusele on SQUIDid leidnud laialdast rakendust meditsiinilises diagnostikas, sest võimaldavad mõõta organismis biovoolude ajel tekkivaid ülinõrku magnetvälju. Sel baasil on loodud aju- ja südamehaiguste diagnostikaseadmeid. SQUID-magnetomeetreid rakendatakse samuti geoloogias, et kindlaks teha muistseid Maa magnetvälja muutusi kivimites. USA merevägi tarvitab SQUID-magnetomeetreid allveelaevade otsinguks.^[10][11]

Metroloogia

See ahel sisaldab 3020 Josephsoni siiret ja võimaldab väga täpselt genereerida pinge 1 volt. Seda saab kasutada mõõteseadmete kalibreerimiseks

Vahelduvvoolu Josephsoni efekti saab ära kasutada pinge-sagedusmuundurina, samuti väga täpsete sageduse ja pingete mõõtmiste seadmetes, näiteks selleks, et defineerida väga täpselt üks volt.^[12][13]

Krüotron

Juba enne 1962. aastat olid teadlased unistanud loogikalülitusest, mis põhineks ülijuhtidel. Esimene läbimurre selles valdkonnas oli krüotroni loomine.^[14] See seade põhineb ülijuhtiva faasi üleminekul normaalsesse ning vastupidi ja seda juhitakse magnetväljaga. Selle lähenemisviisi peamine probleem oli suhteliselt pikk lülitusaeg (∼ 10 µs) ülijuhtiva ja normaalse oleku vahel. Lahendus leiti pärast 1967. aastal ilmunud Josephsoni artikli ilmumist. Läbimurdeks osutus nullpinge ja takistuslike olekute vahelise ülemineku kasutamine tunnelsiirdes. Matisoo ehitas ka teerajaja Josephsoni digitaalse trigeri, mille lülitusaeg oli vähem kui 1 ns. Kahjuks aga ei saanud niisuguste elementidega arvutitest asja, sest sel alal sai valitsevaks mikroprotsessoril põhinev tehnoloogia .^[15]

SIS-siirde rakendusi

Ülijuhtiv materjal on helesinine, isolrkiht on must ja substraat on roheline

Niisuguse siirdega seadmetel on mitmesuguseid rakendusi, näiteks elektromagnetilise kiirguse ülitundlikud detektorid, magnetomeetrid, suure kiirusega digitaalsed ahelaelemendid ja kvantarvutid. Kuna SIS-siirde tundlikkus on suurim vahemikus 100–1000 GHz, siis kasutatakse neid palju raadioastronoomias. SIS-siire on kasutusel ka ühefootonidetekteerimisseadmetes. Selles rakenduses purustab ülijuhis absorbeerunud footon Cooperi paarid ja loob kvaasiosakesed. Kvaasiosake tunneleerub läbi siirde rakendatava pinge suunas ja sellest tulenev tunnelvool on võrdeline footonenergiaga. SIS-seadmeid kasutatakse footonite sageduse detektoritena piirkonnas röntgenikiirgusest kuni infrapunakiirguseni.^[16]

Veel rakendusi

Josephsoni efekti rakendatakse veel järgmistes seadmetes:

• üksikelektrontransistorid^[17]
• elementaarlaengumõõturid^[18]
• RSFQ-loogikalülitid^[19]
• kvantarvutid^[20]
• ülijuhtidest tehtud lüliti^[21]

Viited

1. Prodi, G.A. and Zanini, F., Josephson Effect and Selected Applications: an Example of Quantum Effects in Macroscopic Systems.
2. P. W. Anderson; J. M. Rowell (1963). "Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect". Phys. Rev. Lett. 10 (6): 230. Bibcode:1963PhRvL..10..230A. DOI:10.1103/PhysRevLett.10.230.
3. The Nobel prize in physics 1973
4. "Josephson effect" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 27. august 2018. Vaadatud 2. veebruaril 2019.
5. http://www.supraconductivite.fr/en/index.php?p=applications-squid-josephson
6. Barone, A.; Paterno, G. (1982). Physics and Applications of the Josephson Effect. New York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-01469-0.
7. T. D. Gamble, W. M. Goubau, and J. Clarke. Magnetotellurics with a remote magnetic reference. Geophysics, 44(1):53–68, 1979.
8. E. Il’ichev, L. Dorrer, F. Schmidl, V. Zakosarenko, P. Seidel, and G. Hildebrandt. Current resolution, noise, and inductance measurements on high-tc dc squid galvanometers. Applied Physics Letters, 68(5):708–710, 1996.
9. A. H. Miklich, D. Koelle, F. Ludwig, D. T. Nemeth, E. Dantsker, and John Clarke. Picovoltmeter based on a high transition temperature squid. Applied Physics Letters, 66(2):230–232, 1995.
10. A I Ahonen, M S H¨am¨al¨ainen, M J Kajola, J E T Knuutila, P P Laine, O V Lounasmaa, L T Parkkonen, J T Simola, and C D Tesche. 122-channel squid instrument for investigating the magnetic signals from the human brain. Physica Scripta, T49A:198–205, 1993.
11. J. Kawai, M. Kawabata, T. Shimozu, M. Miyamoto, Y. Adachi, G. Uehara, K. Komamura, and N. Tsuyuguchi. A low noise squid magnetometer array probe designed for mouse and rat mcg measurements. International Congress Series, 1300:570–573, 2007.
12. Clark A. Hamilton. Josephson voltage standards. Review of Scientific Instruments, 71(10):3611–3623, 2000.
13. O.A. Chevtchenko, H.E. van den Brom, E. Houtzager, R. Behr, J. Kohlmann, J.M. Williams, T.J.B.M. Janssen, L. Palafox, D.A. Humphreys, F. Piquemal, S. Djordjevic, O. Monnoye, A. Poletaeff, R. Lapuh, K.-E. Rydler, and G. Eklund. Realization of a quantum standard for ac voltage: overview of a european research project. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, 54(1):628– 631, Apr 2005.
14. D.A Buck. The cryotron-a superconductive computer component. Proceedings of the IRE, 42(4):482–493, Apr. 1956.
15. J. Matisoo. The tunneling cryotron—a superconductive logic element based on electron tunneling. Proceedings of the IEEE, 55(2):172–180, Feb. 1967.
16. STJ detectors from the European Space Agency, accessed 8-17-11
17. T. A. Fulton; P. L. Gammel; D. J. Bishop; L. N. Dunkleberger; G. J. Dolan (1989). "Observation of Combined Josephson and Charging Effects in Small Tunnel Junction Circuits". Phys. Rev. Lett. 63 (12): 1307–1310. Bibcode:1989PhRvL..63.1307F. DOI:10.1103/PhysRevLett.63.1307. PMID 10040529.
18. Williams, E.R., Steiner, R.L., Newell, D.B. and Olsen, P.T., 1998. Accurate measurement of the Planck constant. Physical Review Letters, 81(12), p.2404.
19. K.K. Likharev and V.K. Semenov, RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems. IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
20. V. Bouchiat; D. Vion; P. Joyez; D. Esteve; M. H. Devoret (1998). "Quantum coherence with a single Cooper pair". Physica Scripta T. 76: 165. Bibcode:1998PhST...76..165B. DOI:10.1238/Physica.Topical.076a00165.
21. Schwarzschild, B.M., 1983. Quiteron superconducting switch acts like a transistor. Physics Today, 36, p.19.