Ефект джозефсона

Відео: The DC Josephson Effect

ефект Джозефсона - це фізичне явище, яке полягає в протіканні надпровідного струму через тунельний контакт, що складається з двох надпровідників, розділених тонким шаром діелектрика або металу. Ефект був передбачений британським фізиком Брайаном Джозефсона в 1962 році. У 1973 році Джозефсон за своє відкриття отримав Нобелівську премію з фізики.
У 1962 році аспірант Брайан Джозефсон опублікував роботу [1], в якій передбачив два цікавих явища, які мали б спостерігатися в надпровідних тунельних контактах. Перше явище полягало в тому, що в надпровідному тунельному контакті може пітрімуватіся режим надпровідного струму (при цьому падіння напруги на контакті дорівнює нулю). Воно називається стаціонарним ефектом Джозефсона. Якщо цей струм перевищує певну критичне значення, яке є характеристикою самого контакту, то на контакті з`являється ненульове падіння напруги і контакт стає джерелом високочастотного електромагнітного випромінювання. Це явище носить назву нестаціонарного ефекту Джозефсона.
Обидва ефекти були успішно підтверджені експериментально в 1963-1965 роках ,.
Носіями надпровідного струму є так звані куперовских пари - зв`язані стани двох електронів з протилежними спинами. Стан електронів у надпровіднику описується хвильової функцією де n s - щільність носіїв заряду (куперовских пар), індекси 1,2 відповідають двом надпровідниках, що утворюють контакт. Важливою характреристики контакту різниця? (T) =? 2 (T) -? 1 (T) фаз хвильових функцій. Вирішивши відповідне рівняння Шредінгера можна отримати математичні вирази для обох ефектів Джозефсона.
Стаціонарний ефект Джозефсона
Зв`язок між різницею фаз і надпровідним струмом I s встановлюється наступним чином:

,

де I c - критичний струм контакту, величина, яка характерна для кожного контакту і визначається його фізичними властивостями і геометрією. Важливою особливістю переходу є неможливість перевищення надпровідним струмом величини I c.


Нестаціонарний ефект Джозефсона
Зв`язок між падінням напруги на контакті V і еволюцією різниці фаз має такий вигляд (відомо як друге фундаментальне співвідношення Джозефсона):

,

де - Постійна Планка, фізична константа - є квант магнітного потоку, а зворотна до нього величина - константа Джозефсона.
Якщо струм, що протікає через контакт перевищує критичний, I c, то він тепер змушений складатися з двох компонент: надпровідний струм і струм звичайних носіїв заряду (електронів), останні, як відомо протікають з опором і викликають падіння напруги. Еквівалентну електричну схему такого контакту прийнято називати шунтований Моделлю джозефсоновских переходу. За допомогою ряду математичних перетворень можна отримати залежність частоти коливань напруги від струму, а саме: Якщо ми спробуємо виміряти напругу, то вольтметр покаже середнє значення напруги за один період , Тоді підставивши значення цієї напруги в попередню формулу замість твори отримаємо:



і має наступне трактування: середня різниця енергій куперовских пар в різних надпровідниках є , І різниця енергій носії заряду, переходять з одного надпровідника в інший можуть компенсувати лише випромінюванням фотона з відповідною частотою. Даний ефект має використання на практиці як перетворення струму в частоту.
Еквівалентна схема джозефсоновских контактів в рамках резистивной моделі Згідно роботами МакКамбера, Стюарта і Джонсона, точковий контакт Джозефсона, на який подається певний постійний струм I B можна представити у вигляді еквівалентного ланцюга, що складається з трьох паралельно підключених елементів:
Рівняння Кірхгофа для такого кола має вигляд I B = I Q + I R + I s. Воно ж переписується як

Після введення безрозмірних часу , , Коефіцієнта "диссипации" і зовнішнього струму? = I B / I c, вищенаведене рівняння, що описує часову еволюцію різниці фаз? (T), вступає безрозмірного виду

Резистивна модель дає можливість опису поведінки точкового контакту Джозефсона як дисипативної динамічної системи з розмірністю фазового простору два.
Ефект Джозефсона широко використовується в різних областях, зокрема:
• для вимірювання магнітного поля за допомогою надпровідних квантових інтерферометров-
• в метрології, для перерахунку частоти і напруги-зокрема оскільки частота визначається за допомогою цезієвого стандарту, ефект Джозефсона використовується для визначення одного Вольта (одиниці напруги) (слід зазначити, що з 1 липня 2007 це не є офіційним стандартом IBWM).

Увага, тільки СЬОГОДНІ!