Сверхпроводимость. Эффекты Джозефсона —. Нестационарный эффект джозефсона
Одним из важнейших моментов в микроскопической теории сверхпроводимости является объяснение достаточно сильного притяжения между двумя электронами, возникающего при поляризации кристаллической решетки.Два электрона с противоположными спинами и направлениями движения объединяются в пару, называемую куперовской (по имени американского ученого Л. Купера, впервые показавшего, что такие два электрона образуют связанное состояние). Эти пары обладают нулевым суммарным спином и поэтому являются бозе-частицами (то есть частицами, подчиняющимися статистике Бозе-Эйнштейна). Такие частицы обладают замечательным свойством: если температура ниже критической, они могут скапливаться на самом нижнем энергетическом уровне (в основном состоянии). Чем больше их там соберется, тем труднее какой-либо частице выйти из этого состояния. Для этого необходимо преодолеть энергетический барьер величиной 2 (по на каждый электрон в паре). Все частицы при этом описываются единой волновой функцией или, другими словами, когерентны. Характерное расстояние между двумя электронами в куперовской паре, называемое длиной когерентности , различно для разных сверхпроводников. Сверхпроводимостью называют макроскопическое квантовое явление. При понижении температуры многие металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее состояние. Такой переход происходит при вполне определенной для каждого материала температуре, называемой критической. Сверхпроводимость характеризуется идеальной электропроводностью (сопротивление электрическому току равно нулю, если плотность тока меньше некоторой критической величины) и идеальным диамагнетизмом (индукция магнитного поля внутри сверхпроводника равна нулю, если ее значение снаружи меньше критического). Если электрическое сопротивление равно нулю, то возбужденный в сверхпроводящем кольце ток будет существовать бесконечно долго. Электрический ток в этом случае напоминает ток, создаваемый электроном на орбите в атоме Бора. Это как бы очень большая боровская орбита. Незатухающий ток и создаваемое им магнитное поле не могут иметь произвольную величину, они квантуются так, что магнитный поток, пронизывающий кольцо, принимает значения, кратные элементарному кванту потока: Вб (h - постоянная Планка).
Незатухающий ток и создаваемое им магнитное поле не могут иметь произвольную величину, они квантуются так, что магнитный поток, пронизывающий кольцо, принимает значения, кратные элементарному кванту потока Вб (h - постоянная Планка).
В отличие от электронов в атомах и других микрочастиц, поведение которых описывается квантовой теорией, сверхпроводимость - макроскопическое квантовое явление. Действительно, длина сверхпроводящей проволоки, по которой течет незатухающий ток, может достигать многих метров и даже километров. При этом носители тока в ней описываются единой волновой функцией. Это не единственное макроскопическое квантовое явление. Другим примером может служить сверхтекучесть в жидком гелии или в веществе нейтронных звезд.
В появившейся статье 1962 года, никому до того неизвестного автора Б. Джозефсона, теоретически предсказывалось существование двух удивительных эффектов: стационарного и нестационарного. Джозефсон теоретически изучал туннелирование куперовских пар из одного сверхпроводника в другой через какой-либо барьер.
Стационарный эффект Джозефсона
Стационарный эффект Джозефсона состоит в том, что через туннельный переход с тонким слоем диэлектрика, когда его толщина меньше или порядка длины когерентности (), возможно протекание сверхпроводящего тока, то есть тока без сопротивления. Предполагалось, что критическое значение этого тока будет своеобразно зависеть от внешнего магнитного поля. Если ток через такой переход станет больше критического, то переход будет источником высокочастотного электромагнитного излучения. Это нестационарный эффект Джозефсона, который в данной работе не рассматривается.
Данные эффекты были обнаружены экспериментально. Более того, вскоре стало ясно, что эффекты Джозефсона присущи не только туннельным переходам, но и более широкому классу объектов - сверхпроводящим слабым связям, то есть участкам сверхпроводящей цепи, в которых критический ток существенно подавлен, а размер участка порядка длины когерентности .
Прежде всего, квантовые свойства сверхпроводящего состояния лежат в основе эффектов Джозефсона. Действительно, сверхпроводящее состояние характеризуется когерентностью куперовских пар: эти пары электронов находятся на одном квантовом уровне и описываются общей для всех пар волновой функцией, ее амплитудой и фазой. Они когерентны как частицы света - фотоны в излучении лазера, которое также характеризуется амплитудой и фазой электромагнитной волны.
Допустим, что у нас имеется два массивных куска одного и того же сверхпроводника, полностью изолированных друг от друга. Так как оба они находятся в сверхпроводящем состоянии, каждый из них будет характеризоваться своей волновой функцией. Поскольку материалы и температуры одинаковы, модули обеих волновых функций должны совпадать, а фазы произвольны. Однако, если установить между ними хотя бы слабый контакт, например туннельный, куперовские пары будут проникать из одного куска в другой и установится фазовая когерентность. Возникнет единая волновая функция всего сверхпроводника, которую можно рассматривать как результат интерференции волновых функций двух половинок.
Немаловажным является то, что слабая связь между двумя сверхпроводниками - это просто удобный объект для обнаружения интерференционных эффектов. Однако такие эффекты были известны сравнительно давно. Один из ярких примеров - квантование магнитного потока и тока в сверхпроводящем кольце. Действительно, сверхпроводящий ток может принимать только такие значения, при которых на длине кольца может уложиться целое число длин волн волновой функции сверхпроводящих электронов, то есть при обходе по контуру кольца волновая функция в каждой точке попадает в фазу сама с собой. Еще раз видна полная аналогия с квантованием орбит в атоме Бора
Итак, стационарный эффект Джозефсона состоит в том, что достаточно слабый ток I (меньший критического тока слабой связи Ic) протекает без сопротивления, то есть на ней не происходит падения напряжения. Джозефсон получил следующее выражение для тока I: , где - разность фаз волновых функций по разные стороны слабой связи. В своей работе Джозефсон предсказал, что в области диэлектрической прослойки будут интерферировать когерентные токи, исходящие из обоих сверхпроводников, так же как световые волны от двух когерентных источников. Поэтому результирующий ток оказывается пропорциональным синусу разности фаз. Спустя некоторое время после предсказания Джозефсона этот эффект проверил прямым экспериментом Дж. Роуэлл. В туннельных экспериментах такого рода, когда диэлектрическая прослойка очень тонка, основная трудность состоит в устранении контакта металлических обкладок из-за дефектов диэлектрика. Надо каким-то образом доказать, что наблюдаемый ток не является следствием тривиальных закороток, а действительно является туннельным током. Для этого Дж. Роуэлл поместил туннельный переход в магнитное поле, направленное вдоль плоскости барьера. Естественно, что магнитное поле не может влиять на закоротки и в этом случае ток практически не изменился бы. Однако даже очень слабое магнитное поле влияло на ток, причем совершенно нетривиальным образом.
Это происходит потому, что магнитное поле изменяет фазу волновой функции сверхпроводящих электронов. Поскольку в этом, пожалуй, наиболее ярко проявляется макроскопический квантовый характер сверхпроводящего состояния, и эти явления продолжают оставаться в центре внимания и в настоящее время.
Квантовая интерференция
При проведении первых экспериментов было обнаружено, что максимальный сверхпроводящий ток Ic в магнитном поле, параллельном плоскости контакта, немонотонно зависит от величины магнитного потока , проникающего в контакт. Эта зависимость показана на рис.1. Как видно из рисунка, в случае, когда поток равен целому числу квантов , происходит компенсация токов, текущих в противоположные стороны в разных точках контакта, и результирующий критический ток оказывается равным нулю. На этом рисунке просматривается аналогия с зависимостью интенсивности света на экране при дифракции на одиночной щели от расстояния до центральной точки и наглядно демонстрирует волновые свойства сверхпроводящих токов:
Зависимость критического тока Im (нормированного на критический ток при отсутствии поля Ic) джозефсоновского контакта от величины потока внешнего магнитного поля
Включим туннельный контакт в сверхпроводящий контур (кольцо), чтобы рассмотрение этого явления стало более простым. Магнитный поток через площадь сверхпроводящего кольца (не содержащего контакта) строго постоянен. Его значение, как уже говорилось, квантуется. Оно равно целому числу квантов и изменить его, не переводя кольцо в нормальное состояние, невозможно. Но если кольцо содержит слабую связь, то магнитный поток может меняться - кванты потока проникают в контур через это слабое место/
Каким же образом меняется величина потока и тока I в кольце со слабой связью при изменении внешнего магнитного поля? Пусть сначала внешнее поле и ток в контуре равны нулю (рис. 2). Поток при этом тоже равен нулю. Увеличим внешнее поле - по закону индукции Фарадея в контуре появится сверхпроводящий ток, своим магнитным полем по закону Ленца компенсирующий внешний поток. Так будет происходить, пока ток в контуре не станет равным критическому току контакта Ic. Для простоты рассмотрения выберем площадь кольца такой, чтобы при I = Ic внешнее поле создавало поток , равный половине кванта потока: .
Сверхпроводящий контур с джозефсоновским элементом во внешнем магнитном поле
Как только ток станет больше Ic , сверхпроводимость в контакте нарушится и в контур войдет квант потока . При этом отношение скачком увеличится на единицу, а направление тока изменится на противоположное, хотя его величина останется прежней Ic. Действительно, если до вхождения кванта потока ток Ic полностью экранировал внешний поток , то после вхождения он должен усиливать внешний поток до значения . Таким образом, контур перешел в новое квантовое состояние
При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце будет уменьшаться, а поток будет оставаться равным . Ток обратится в нуль, когда внешний поток станет равным , а затем ток потечет в обратном направлении, частично экранируя внешний поток. При внешнем потоке ток опять станет равным Ic, сверхпроводимость нарушится, войдет следующий квант потока и т. д. Ступенчатый характер рассмотренных зависимостей позволяет почувствовать отдельные кванты потока, а ведь эта величина очень мала, всего лишь порядка Вб.
Особенно ярко когерентные свойства сверхпроводящего состояния проявляются при включении в контур двух джозефсоновских контактов. Полный ток I при этом определяется интерференцией токов, протекающих через контакты:
Где и - скачки фаз волновых функций на переходах, а критические токи обоих контактов для простоты взяты одинаковыми и равными Ic. В результате критический ток Im периодически зависит от внешнего магнитного поля и обращается в нуль, когда поток равен полуцелому числу квантов. Эта зависимость в точности соответствует оптическому аналогу - зависимости интенсивности света на экране от расстояния при дифракции на двух щелях.
Туннельный эффект
Туннельный эффект - это типичная задача квантовой механики. Частица (например, электрон в металле) подлетает к барьеру (например, к слою диэлектрика), преодолеть который она по классическим представлениям никак не может, так как ее кинетическая энергия недостаточна, хотя в области за барьером она со своей кинетической энергией вполне могла бы существовать. Напротив, согласно квантовой механике, прохождение барьера возможно. Частица с некоторой вероятностью может как бы пройти по туннелю через классически запрещенную область, где ее потенциальная энергия как бы больше полной, то есть классическая кинетическая энергия как бы отрицательна. На самом деле с точки зрения квантовой механики для микрочастицы (электрона) справедливо соотношение неопределенностей (x - координата частицы, p - ее импульс). Когда малая неопределенность ее координаты в диэлектрике приводит к большой неопределенности ее импульса , а следовательно, и кинетической энергии p2/(2m) (m - масса частицы), то закон сохранения энергии не нарушается. Опыт показывает, что действительно между двумя металлическими обкладками, разделенными тонким слоем диэлектрика (туннельный переход), может протекать электрический ток тем больший, чем тоньше диэлектрический слой.
Применение на практике
В 20-м веке проводились исследования многих сверхпроводящих металлов и сплавов, но наивысшая измеренная температура перехода составляла 23,2 К. Для охлаждения до такой температуры требовался дорогостоящий жидкий гелий (4 Не). Поэтому наиболее успешные применения сверхпроводимости оставались на уровне лабораторных экспериментов, для которых не требуется больших количеств жидкого гелия.
Благодаря исследованиям К. Мюллера и Й. Беднорца в области сверхпроводников, было обнаружено, что керамический проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35 К. Вскоре исследовательские группы в разных странах мира изготовили керамические материалы с температурой перехода от 90 до 100 К, которые способны оставаться сверхпроводниками (2-го рода) в магнитных полях до 200 кГс.
Крупномасштабное применение керамических сверхпроводников стало весьма перспективным по той причине, что их можно изучать и использовать при охлаждении сравнительно жидким недорогим азотом.
Промышленное же применение сверхпроводники получили при создании сверхпроводящих магнитов с высокими критическими полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960-х годов магнитные поля выше 100 кГс даже в небольших лабораториях, что позволило сократить затраты электрической энергии для поддержания электрического тока в обмотках и огромного количества воды для их охлаждения
Не менее важное практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электронных приборов. Экспериментальные образцы приборов с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10 –15 Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10 – 9 Гс, используются при изучении магнитных материалов, а также в медицинских магнитокардиографах.
Метрология так же была затронута техникой сверхпроводимости и особенно контактами Джозефсона, которые оказывают на нее все большее влияние. С помощью джозефсоновских контактов создан стандарт 1 В. Был разработан также первичный термометр для криогенной области, в которой резкие переходы в некоторых веществах используются для получения реперных (постоянных) точек температуры. Новая техника используется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, а также для измерений частоты. Она применяется также в фундаментальных исследованиях, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории относительности
Сверхпроводниковый суперкомпьютер
Применение сверхпроводящих элементов в компьютерных технологиях может обеспечить очень малые времена переключения, ничтожные потери мощности при использовании тонкопленочных элементов и большие объемные плотности монтажа схем. Разрабатываются опытные образцы тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотни логических элементов и элементов памяти. Эта идея появилась уже довольно давно. И если задача получения малых размеров переходов (плотность упаковки) и малого тепловыделения (в сверхпроводящем состоянии тепло вообще не рассеивается) довольно легко решается, то сверхвысокого быстродействия достичь долго не удавалось. И вот группе профессора К. К. Лихарева в МГУ удалось найти принципиально новое решение этой проблемы. Для обработки и запоминания информации здесь используется квант магнитного потока, то есть нуль и единица - отсутствие или наличие в джозефсоновской ячейке одного кванта потока. Логические элементы с джозефсоновскими переходами, в которых проводится квантование магнитного потока, называются квантронами. Расчеты и эксперименты показывают, что квантроны обладают очень высоким быстродействием, достигающим значений 10 – 12 операций в секунду. Однако они не подчиняются традиционным правилам схемотехники, и их следует применять в схемах нового типа. Здесь информация передается от одного элемента к другому с помощью кванта магнитного потока, поэтому обязательным условием является близкое расположение элементов. Расстояния, разделяющие при этом элементы, достигают величин порядка десятых долей микрона. Применение этих схем выгодно, например, при создании регистров сдвига - устройств с передачей информации вдоль периодической структуры элементов логики, причем информация смещается на единичный период при введении или изъятии единичного кванта потока.
Применение эффекта Джозефсона в экспериментальных установках
В ВНИИФТРИ создана установка на основе матрицы джозефсоновских переходов для воспроизведения единицы напряжения постоянного тока.
Ее предназначение - калибровка и поверка многоразрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в интегральном исполнении.
Важнейшим элементом установки является матрица джозефсоновских переходов, изготовленная в Германии. Использование эффекта Джозефсона обеспечивает высокую точность воспроизведения напряжения.
Установка состоит из криозонда с джозефсоновской матрицей, СВЧ генератора (длина волны 4 мм) с системой фазовой автоподстройки частоты, рубидиевого стандарта частоты, характериографа, транспортируемого гелиевого дюара.
Реферат плюс
Министерство образования РФ
Нижнетагильский технологический институт УГТУ - УПИ
Кафедра Общей физики
Реферат Тема: Сверхпроводимость. Эффекты Джозефсона
Преподаватель: Студент: Группа:
Нижний Тагил 2003 г.
ВЕДЕНИЕ
Сверхпроводимость -физическо е явление, заключающееся в том, что у многих химических элементов, соединений и сплавов (называемых сверхпроводниками), при охлаждении их ниже определенной критической температуры Tс (характерной для данного материала) наблюдается переход из нормального в так называемое сверхпроводящее состояние, в котором их электрическое сопротивление постоянному току полностью отсутствует. При этом переходе структурные и оптические (в области видимого света) свойства сверхпроводников остаются практически неизменными. Электрические и магнитные свойства вещества в сверхпроводящем состоянии резко отличаются от этих же свойств в нормальном состоянии (где они, как правило, являются металлами) или от свойств других материалов, которые при тех же температурах в сверхпроводящее состояние не переходят. За исключением благородных (Cu, Ag, Au, Pt), щелочных (Li, Na, K и др.), щелочноземельных (Be, Mg и др.) и ферромагнитных (Fe, Co, Ni) металлов, большая часть остальных металлических элементов являются сверхпроводниками. Элементы Si, Ge, Bi, Te становятся сверхпроводниками при охлаждении под давлением. Явление сверхпроводимости открыто в 1911 г. Х. Каммерлинг-Оннесом при исследовании низкотемпературного хода сопротивления ртути. Он обнаружил, что при охлаждении ртутной поволоки ниже 4,2 К её сопротивление скачком обращается в нуль. Нормальное состояние может быть восстановлено при пропускании через образец достаточно сильного тока (превышающего критический ток Ic(T)) или помещением его в достаточно сильное внешнее магнитное поле (превышающее критическое магнитное поле Hc(T)). По величине Tс в силу исторических причин сверхпроводники делятся на классические (у которых Tc
Наряду с потерей сопротивления важнейшим свойством сверхпроводников является вытеснение магнитного поля из массивного образца. По своему поведению в магнитном поле сверхпроводники делятся на две группы: сверхпроводники первого рода и второго рода. Далее учёными был открыт ряд других важнейших свойств, характерных для сверхпроводников, на основе которых и была построена теория сверхпроводимости.
Практическое использование сверхпроводников ограничилось низкими значениями критических полей и температур. Интерес к вопросу
Точка 1 на графике соответствует температуре замерзания ртути, точка 2 - температуре жидкого воздуха, точка 3 - температуре жидкого водорода. После дальнейшего снижения температуры сопротивление резко исчезло. Электрическое сопротивление в сверхпроводящем состоянии точно равно нулю или, по крайней мере, так близко к нулю, что не наблюдалось ослабления тока в сверхпроводящем кольце в течение более чем года вплоть до прекращения эксперимента.
Теори я сверхпроводимост и
Дале е оказалось, что при крайне низких температурах целый ряд веществ обладает сопротивлением, по крайней мере, в 10-12 раз меньше, чем при комнатной температуре. Эксперименты показывают, что если создать ток в замкнутом контуре из сверхпроводников, то этот ток продолжает циркулировать и без источника ЭДС. Токи Фуко в сверхпроводниках сохраняются очень долгое время и не затухают из-за отсутствия джоулева тепла (токи до 300А продолжают течь много часов подряд). Изучение прохождения тока через ряд различных проводников показало, что сопротивление контактов между сверхпроводниками также равно нулю. Отличительным свойством сверхпроводимости является отсутствие явления Холла. В то время, как в обычных проводниках под влиянием магнитного поля ток в металле смещается, в сверхпроводниках это явление отсутствует. Ток в сверхпроводнике как бы закреплен на своем месте.
Сверхпроводимость исчезает под действием следующих факторов:
1) повышение температуры;
2) действие достаточно сильного магнитного поля;
3) достаточно большая плотность тока в образце.
С повышением температуры до некоторой T спочти внезапно появляется заметное омическое сопротивление. Переход от сверхпроводимости к проводимости тем круче и заметнее, чем однороднее образец (наиболее крутой переход наблюдается в монокристаллах).
Переход от сверхпроводящего состояния в нормальное можно осуществить путем повышения магнитного поля при температуре ниже критической Tс. Минимальное поле Bс, в котором разрушается сверхпроводимость называется критическим магнитным полем. Зависимость критического поля от температуры описывается эмпирической формулой.
Вс = B0 [ 1 - (T/Tс) 2 ], где В0 -критическое поле, экстраполированное к абсолютному нулю температуры.
Для некоторых веществ, по-видимому, имеет место зависимость от Т в первой степени. При действии магнитного поля на сверхпроводник наблюдается особого вида гистерезис, а именно если повышая магнитное поле уничтожить сверхпроводимость при H = Ht (H -сила поля, Ht -повышенная сила поля: Ht = a(Tс 2 - T 2)) , то с понижением интенсивности поля сверхпроводимость появится вновь при поле Ht´
Сверхпроводимость наблюдается как у элементов, так и у сплавов и металлических соединений. Сверхпроводимость есть у Hg, Sn(белое), Pb, Tl, Tn, Ga, Ta, Th, Ti, Nb (иногда Cd).
Туннельны й эффек т
Туннельны й эффект - это типичная задача квантовой механики. Частица (например, электрон в металле) подлетает к барьеру (например, к слою диэлектрика), преодолеть который она по классическим представлениям никак не может, так как ее кинетическая энергия недостаточна, хотя в области за барьером она со своей кинетической энергией вполне могла бы существовать. Напротив, согласно квантовой механике, прохождение барьера возможно. Частица с некоторой вероятностью может, как бы пройти по туннелю через
бб классически запрещенную область, где ее потенциальная энергия как бы больше полной, то есть классическая кинетическая энергия как бы отрицательна. На самом деле с точки зрения квантовой механики для микрочастицы (электрона) справедливо соотношение неопределенностей?x ?p>h (x - координата частицы, p - ее импульс). Когда малая неопределенность ее координаты в диэлектрике?x = d (d - толщина слоя диэлектрика) приводит к большой неопределенности ее импульса?p ≥ h/ ?x , а, следовательно, и кинетической энергии p 2 /(2m ) (m - масса частицы), то закон сохранения энергии не нарушается. Опыт показывает, что действительно между двумя металлическими обкладками, разделенными тонким слоем диэлектрика (туннельный переход), может протекать электрический ток тем больший, чем тоньше диэлектрический слой.
Эффект ы Джозефсон а
Есл и два сверхпроводника разделены между собой достаточно тонким слоем диэлектрика (например, два металлических слоя, разделенных окислом), то проникновение через барьер макроскопических волновых функций приводит к их перекрытию или к туннелированию электронных пар. Связанные с этим эффекты были количественно исследованы Брайаном Джозефсоном в 1962г. Он показал, что если имеется разность фаз между этими двумя волновыми функциями, то ток может протекать в отсутствие какой-либо разности потенциалов.
Слой диэлектрика -не единственно возможный тип “слабого звена”, среди других типов можно отметить точечный контакт двух хорошо пришлифованных сверхпроводников, или же микромостик, образованный путем травления сверхпроводящей пленки. На практике при нулевом напряжении через контакт можно пропустить ток только вплоть до некоторого порогового значения, выше которого появится напряжение. Это напряжение затем возрастает при росте тока. Такое явление называется стационарным эффектом Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона возникает, когда к контакту прикладывается напряжение и через него начинает течь переменный ток.
Сверхпроводник и первог о род а
Проанализируе м протекание тока по проволоке круглого сечения, находящемся в сверхпроводящем состоянии В отличии от экранирующего
Приложени е
6 7 8 Министерство образования РФ Нижнетагильский технологический институт УГТУ - УПИ Кафедра Общей физики Реферат Тема: Сверхпроводимость. Эффекты Джозефсона Преподаватель: Студент: Группа: Нижний Тагил 2003 г. ВЕДЕНИЕ Сверхпроводимость -физическоеПредставим себе, что два куска сверхпроводника (см. Сверхпроводимость) разделены тонкой пленкой диэлектрика. Могут ли электроны переходить из одного сверхпроводника в другой?
Да, это происходит вследствие туннельного эффекта. Точно так же и куперовские пары электронов туннелируют сквозь слой диэлектрика, перенося сверхпроводящий ток (рис. 1). Именно это явление было предсказано в 1962 г. английским физиком-теоретиком Б. Джозефсоном.
Экспериментально эффект Джозефсона впервые обнаружили в 1963 г. американские физики П. Андерсон и Дж. Роуэлл. На рис. 2 изображен джозефсоновский элемент (так называют структуру сверхпроводник - диэлектрик - сверхпроводник). Видны оловянные полоски пленки, которые нанесены на стеклянную пластинку и крестообразно пересекаются. В месте пересечения они разделены слоем окисла олова толщиной . Для подвода тока используются либо верхние, либо нижние электроды.
Американские ученые не только установили возможность протекания сверхпроводящего тока в такой системе. Им удалось доказать, что этот ток в соответствии с теоретическими предсказаниями обладает уникальной зависимостью от внешнего магнитного поля. На рис. 3 показано, как меняется распределение тока в контакте при увеличении внешнего поля. Видно, что если размер контакта точно равен пространственному периоду изменения плотности тока (поле ), то общий ток Джозефсона обращается в нуль. Экспериментальная кривая зависимости тока от индукции магнитного поля изображена на рис. 4. Высокая чувствительность контакта Джозефсона к магнитному полю очень скоро нашла свое практическое применение (см. Сверхпроводимость).
Еще более впечатляющим оказалось предсказанное Джозефсоном поведение контакта сверхпроводник - диэлектрик - сверхпроводник при подключении его к источнику постоянного напряжения U. Электроны при туннелировании ускоряются в электрическом поле (оно сосредоточено в слое диэлектрика) так же, как и электроны в обычном туннельном контакте, и пары электронов приобретают дополнительную энергию (см. Туннельный эффект).
Избавиться от этой «лишней» энергии в сверхпроводнике, где нет тепловых потерь, можно, только излучив квант энергии. Частота кванта о связана с напряжением U соотношением: . Значит, джозефсоновский элемент может служить источником электромагнитного излучения.
Такое излучение впервые было обнаружено в 1965 г. группой советских ученых в Харьковском физико-техническом институте.
Джозефсоновские элементы могут также служить чувствительными детекторами внешнего излучения, которое приводит к появлению характерных особенностей (ступенек) на их вольт-амперных характеристиках (рис. 5).
В последнее время большой интерес проявляется к исследованиям по созданию сверхпроводящих ЭВМ с джозефсоновскими элементами памяти. Созданы приемники, усилители, преобразователи частоты на основе эффекта Джозефсона, обладающие рекордными характеристиками. Область применения этого удивительного эффекта в криоэлектронике (так называют область электроники, использующую низкие температуры) все время расширяется.
В 1962г Брайан Джозефсон (по поручению Андерсена) теоретически исследовал явление туннелирования в сверхпроводниках, при этом получил основные формулы и предсказал ряд эффектов. При описании данных явлений используется понятие «электронной жидкости». Это квантовое понятие, амплитуда волны возмущения в такой жидкости зависит от плотности электронов. Наличие разности фаз волн приводит к их интерференции. Если фазы волн равны, то их амплитуды суммируются, а если фазы смещены, то суммарная амплитуда уменьшается.
При стационарном эффекте Джозефсона в цепи, состоящей из двух сверхпроводников, разделенных тонким окисным слоем (), проходит малый постоянный ток без потери напряжения на туннельном переходе. Величина тока зависит от разности фаз волн, образованных синхронизированными электронными куперовскими парами, т.е. от соотношения плотностей носителей зарядов на границах перехода.
Уравнение для тока в цепи перехода при стационарном эффекте имеет вид;
.
(3.55)
Наложение основной и просочившейся волн определяет значение суммарной амплитуды плотности носителей зарядов в контактирующих сверхпроводниках. При этом разность потенциалов на туннельном переходе равна нулю.
При прямом нестационарном эффекте в результате приложения к туннельному переходу постоянного напряжения (больше определенного уровня) в переходе происходит генерация высокочастотных колебаний.
При обратном нестационарном эффекте под действием высокочастотного электромагнитного поля на переходе генерируется постоянная ЭДС, не зависящая от влияния внешних дестабилизирующих факторов.
Для тока в цепи перехода при нестационарном эффекте справедливо следующее уравнение:
.
(3.56)
Выполнив не сложные преобразования можно получить следующие математические соотношения:
(3.57)
,
,
(3.58)
,
(3.59)
где:
- квант энергии;
- целое число;
D – постоянная Джозефсона.
С увеличением частоты внешнего СВЧ излучения напряжение на туннельном переходе будет изменяться ступенчато.
Рис. 3.20 Зависимость напряжения на джозефсоновском переходе от частоты внешнего поля.
Величина генерируемого при этом постоянного напряжения может составлять всего несколько милливольт, но при последовательном соединении большого числа переходов уровень генерируемого напряжения может измеряться уже в вольтах. Устройства данного типа используются, например, для создания эталона ЭДС. Выходное напряжение такого эталона не зависит от внешних дестабилизирующих факторов и определяется уравнением:
,
(3.60)
где: N – число переходов, включенных последовательно.
Стационарный эффект Джозефсона положен в основу создания высокочувствительного сверхпроводящего квантового интерферометрического датчика, так называемого СКВИДа.
Рис. 3.21 Структурная схема первичного преобразователя СКВИД.
Под действием измеряемого магнитного поля происходит изменение суммарного тока через два параллельно включенных джозефсоновских перехода, реализующих стационарный эффект. Величина дополнительного сдвига фаз между токами в ветвях контура функционально зависит от измеряемого магнитного поля.
,
(3.63)
где:
- квант магнитного поля.
Устройства данного типа используются для регистрации сверхслабых магнитных полей (в десятки раз слабее магнитного поля Земли).
Уравнение ВАХ в упрощенном виде можно представить зависимостью вида:
.
(3.64)
Ток в измерительной цепи находится в пределах 10 мкА, а напряжение - в пределах 100мкВ (R – сопротивление контакта).
Применение высокотемпературных сверхпроводников в измерительных устройствах позволит кардинально повысить метрологические характеристики измерительных устройств и отказаться от необходимости производить периодическую поверку средств измерений.
Эффект Джозефсона нашел применение для создания переключающих и запоминающих устройств .
Рис. 3.22 Структурная схема переключающего устройства основанного на реализации эффекта Джозефсона.
При протекании в цепи тока создается магнитное поле, которое управляет процессом туннелирования зарядов через джозефсоновский переход. К достоинствам устройств, основанным на использовании эффекта Джозефсона можно отнести сверхвысокое быстродействие, низкий уровень рассеиваемой энергии, энергонезависимость хранения информации:
.
(3.65)
Контрольные вопросы к главе 3
Перечислите достоинства и недостатки резистивных измерительных преобразователей.
Приведите примеры практического применения пьезорезистивного эффекта.
Почему тензорезистивный эффект в проводниках выражен слабее, чем в полупроводниках?
Каким образом можно снизить влияние изменения температуры окружающей среды на рабочие характеристики тензорезистивных измерительных преобразователей?
Почему при повышении рабочей температуры снижается чувствительность тензорезистивных измерительных преобразователей?
Объясните физическую природу механизма тензочувствительности проводников и полупроводников.
В чем заключается отличие физической природы магниторезистивного эффекта в проводниках и полупроводниках?
Почему с повышением температуры снижается чувствительных магниторезистивных преобразователей?
Перечислите преимущества датчиков Холла по сравнению с магниторезистивными преобразователями.
Почему при изменении рабочей температуры изменяется чувствительность терморезистивных преобразователей?
Объясните природу экспоненциального характера зависимости сопротивления полупроводников от температуры.
В чем причина явления саморазогрева полупроводниковых преобразователей?
Почему повышение температуры и интенсивности светового потока приводит к снижению чувствительности фоторезистивных преобразователей?
Объясните механизм усиления сигнала в фоторезистивных преобразователях.
В чем природа искажения сигнала фоторезистивным преобразователем?
Объясните механизм образования куперовских электронных пар в сверхпроводниках.
Приведите возможные области применения сверх проводников в измерительной технике.
Объясните принцип работы криотрона.
Приведите примеры практической реализации эффектов Джозефсона и Мейснера в измерительной технике.
