Josephson-effektus

A Josephson-effektus az a jelenség , amikor két szupravezetőt elválasztó vékony dielektromos rétegen szupravezető áram folyik át . Az ilyen áramot Josephson-áramnak , a szupravezetők ilyen csatlakozását pedig Josephson-érintkezőnek nevezzük . Josephson eredeti munkája azt feltételezte, hogy a dielektromos réteg vastagsága sokkal kisebb volt, mint a szupravezető koherencia hossza , de a későbbi vizsgálatok kimutatták, hogy a hatás sokkal nagyobb vastagságnál is fennmarad.

Történelem

B. Josephson brit fizikus 1962 - ben a Bardeen-Cooper-Schrieffer szupravezető elmélet [1] alapján stacionárius és nem stacionárius hatásokat jósolt a szupravezető-szigetelő-szupravezető érintkezésben. Az állóhatást F. Anderson és J. Rowell amerikai fizikusok kísérletileg igazolták 1963 -ban .

1932- ben W. Meissner és R. Holm német fizikusok kimutatták [2] , hogy két fém közötti kis érintkezés ellenállása megszűnik, amikor mindkét fém szupravezető állapotba kerül. Így az egyik Josephson-hatást harminc évvel a jóslata előtt figyelték meg.

A hatás leírása

Léteznek stacionárius és nem álló Josephson-effektusok.

Álló hatás

Ha az érintkezőn olyan áramot vezetnek át, amelynek értéke nem haladja meg a kritikus értéket, az érintkezőn nem esik feszültség (a dielektromos réteg jelenléte ellenére). Ezt a hatást az okozza, hogy a vezetési elektronok az alagúthatás miatt ellenállás nélkül haladnak át a dielektrikumon . A hatás nem trivialitása az, hogy a szupravezető áramot egymással korrelált elektronpárok ( Cooper-párok ) viszik, és első pillantásra arányosnak kell lennie az érintkező alagút átlátszóságának négyzetével, és a szupravezető áram rendkívül kicsinysége miatt. az utóbbi gyakorlatilag nem figyelhető meg. Valójában egy Cooper-pár alagútja egy specifikus koherens effektus , amelynek valószínűsége egy elektron alagútjának valószínűsége nagyságrendű, és ezért a Josephson-áram maximális értéke elérheti a szokásos alagút értékét. áram az érintkezőn keresztül a szupravezető energiaspektrumában lévő rés nagyságrendjének megfelelő feszültségen . A modern elképzelések szerint a Cooper-párok alagútjának mikroszkópos mechanizmusa az érintkezési tartományban található potenciálkútban lokalizált kvázirészecskék Andreev-reflexiója .

Az áramsűrűséget a kvantummechanikában a képlet adja meg , ahol a hullámfüggvény modulussal és fázissal . áramsűrűség . A szupravezetőben minden elektronnak ugyanaz a fázisa. Ha két különböző szupravezetőből alagútérintkezőt alakítanak ki, a fáziskülönbségtől és a sűrűségtől függően áram (Josephson-áram) fog átfolyni ezen az érintkezőn feszültség nélkül [3] . $j$ $j={\frac {ie\hbar }{2m))(\psi \nabla \psi ^{*}-\psi ^{*}\nabla \psi )$ $\psi =|\psi |e^{i\varphi }$ $|\psi |$ $\varphi$ $j\sim\nabla\psi$ ${\displaystyle \vartheta =\varphi _{1}-\varphi _{2))$ $j=j_{0}\sin \vartheta$

Stacionárius Josephson-effektus mikrokontaktusokban

A szupravezetők közötti Josephson-átmenetek egyik példája a ballisztikus pontérintkezők, amelyek jellemző d átmérője sokkal kisebb, mint a töltéshordozók átlagos szabad útja . Az ilyen Josephson-csatolásoknál az áram-fázis viszonyok és a kritikus áram nagysága jelentősen eltér az alagútérintkező megfelelő kifejezéseitől. A és hőmérsékleten ( a szupravezető kritikus hőmérséklete ), az áramerősséget az összefüggés fejezi ki $l$ $I(\varphi )$ $I_{\text{c}}(T)$ $l\gg d$ $0\leqslant T\leqslant T_{\text{c}}$ $T_{\text{c))$

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

ahol az érintkezési ellenállás normál (nem szupravezető) állapotban ( Sharvin-ellenállás ), a szupravezető rés szélessége adott hőmérsékleten. Egy tiszta lyuk kritikus áramánál [ tisztázza ] a kritikus áram kétszerese azonos normál ellenállás mellett, és az áram fázisfüggősége $R_{\text{Sh))$ $\Delta (T)$ $T 0-ra$

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

-nél ugráson megy keresztül . [négy] $\varphi =\pm\pi$

Nem stacionárius hatás

Ha az érintkezőn áram halad át, amelynek értéke meghaladja a kritikus értéket, az érintkezőn feszültségesés következik be , és az érintkező elektromágneses hullámokat kezd kisugározni . Ebben az esetben az ilyen sugárzás frekvenciáját a következőképpen határozzuk meg : ahol az elektron töltése Planck - állandó . $U$ $\nu=2eU/h$ $e$ $h$

A sugárzás megjelenése annak a ténynek köszönhető, hogy az elektronok párokká egyesülve , szupravezető áramot hoznak létre, amikor érintkezésen áthaladnak, többletenergiát vesznek fel a szupravezető alapállapotához képest . Az egyetlen módja annak, hogy egy elektronpár visszatérjen az alapállapotba, az elektromágneses energia kvantum kibocsátása . $2eU$ $\hbar \omega =2eU$

Az effektus alkalmazása

A nem stacionárius Josephson-effektus segítségével a feszültség nagyon nagy pontossággal mérhető.

A Josephson-effektust két párhuzamos Josephson-elágazást tartalmazó szupravezető interferométerekben használják. Ebben az esetben az érintkezőn áthaladó szupravezető áramok zavarhatják. Kiderült, hogy az ilyen csatlakozás kritikus áramerőssége rendkívül függ a külső mágneses tértől, ami lehetővé teszi az eszközzel a mágneses mezők nagyon pontos mérését.

Ha a Josephson átmenetben állandó feszültséget tartanak fenn, akkor abban nagyfrekvenciás rezgések lépnek fel . Ezt a Josephson - generációnak nevezett hatást először I. K. Yanson, V. M. Svistunov és I. M. Dmitrenko figyelte meg. Természetesen a fordított folyamat, a Josephson-felszívódás is lehetséges . Így a Josephson-csomópont elektromágneses hullámgenerátorként vagy vevőként is használható (ezek a generátorok és vevők olyan frekvenciatartományokban működhetnek, amelyek más módszerekkel elérhetetlenek).

Egy hosszú Josephson-csomópontban (LJJ) egy szoliton (Josephson-örvény) mozoghat a csomópont mentén , és mágneses fluxuskvantumot ad át . Vannak olyan multiszoliton állapotok is, amelyek egész számú fluxuskvantumot hordoznak. Mozgásukat egy nemlineáris szinusz-Gordon egyenlet írja le . Az ilyen Josephson-szoliton hasonló a Frenkel-szolitonhoz (a fluxuskvantumok száma megmarad). Ha a szigetelőréteget inhomogénre tesszük, akkor a szolitonok az inhomogenitásokhoz "megtapadnak", és ezek elmozdításához kellően nagy külső feszültséget kell alkalmazni. Így a szolitonok az átmenet során felhalmozhatók és elküldhetők: természetes lenne, ha egy nagyszámú, egymással összekapcsolt DDC-ből álló rendszerben ( kvantumszámítógép ) próbálnánk meg őket információ rögzítésére és továbbítására használni.

Az 1980-as évek végén Japánban létrehoztak egy Josephson-effektuson alapuló kísérleti processzort . Bár a 4 bites ALU a gyakorlatban alkalmazhatatlanná tette, ez a tudományos tanulmány komoly kísérlet volt, amely kilátásokat nyit a jövőre nézve.

2014-ben a Nukleáris Fizikai Intézet és a Moszkvai Állami Egyetem Fizikai Karának munkatársai a Josephson-effektuson alapuló új szupravezető mikroáramkört fejlesztettek ki számítógépekhez [5] .

Josephson állandója

A Josephson-állandó a mágneses fluxuskvantum reciproka . Ez egyenlő 483597,8484…⋅10 9 Hz/V [6] . $2e/h$

A Josephson-effektus felfedezésének jelentősége a tudománytörténetben

A fizika történetében először sikerült kísérletileg felfedezni a makrovilág jelensége (villamos áram) és a kvantummechanikai mennyiség (a hullámfüggvény fázisa) összefüggését [7] .

Lásd még

TINTAHAL

Jegyzetek

↑ Josephson BD Lehetséges új effektusok a szupravezető alagútban // Physics Letters. - 1962. - 1. évf. 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 (német) // Zeitschrift für Physik. - 1932. - Bd. 74 . - S. 715-735 . - doi : 10.1007/BF01340420 .
↑ Szupravezetés és szuperfluiditás, 1978 , p. 36.
↑ I. O. Kulik, A. N. Omeljancsuk . Josephson-effektus szupravezető mikrohidakban: mikroszkopikus elmélet // FNT, 1978, 4. kötet, 3. szám, 296-311.
↑ Alekszej Poniatov. Szupravezető elektronika szuperszámítógépekhez // Tudomány és élet . - 2015. - 7. sz . - S. 49-63 .
↑ Josephson állandó . NIST . Hozzáférés időpontja: 2019. október 16. (határozatlan)
↑ Szupravezetés és szuperfluiditás, 1978 , p. 37.

Irodalom

Likharev KK, Ulrikh BT Systems with Josephson csomópontok: elméleti alapok. - M .: Moszkvai Állami Egyetem Kiadója, 1978. - 446 p.
Kresin VZ Szupravezetés és szuperfolyékonyság. — M .: Nauka, 1978. — 187 p.
Tilly D.R., Tilly J. Szuperfolyékonyság és szupravezetés. — M .: Mir, 1977. — 304 p.

Linkek

Josephson-effektus - cikk a Great Soviet Encyclopedia- ból .
A tudósok először látták az "időkristályok" ütközését // hi-tech.mail.ru, 2020. augusztus 18.