Согласно теории Бардина — Купера — Шриффера (БКШ), сверхпроводимость существует благодаря объединению электронов проводимости в так называемые куперовские пары. Куперовская пара представляет собой коррелированное состояние двух электронов с противоположными спинами и импульсами.
Концепция взаимодействия электронов куперовской пары с ионами кристаллической решетки проводника - доминирующая на сегодняшний день макроскопическая теория сверхпроводящего состояния.
На этой иллюстрации изображен джозефсоновский переход, который может обнаруживать одиночный фотон света. У исследования есть потенциальные варианты применения для датчиков, связи и квантовых компьютеров.
Суть эффекта Джозефсона
Британский физик Брайан Джозефсон занимался изучением сверхпроводимости начиная с 1962 года. В двадцать два года, будучи аспирантом, он высказал теоретическое предположение о возможности прохождения электронов через тонкий слой диэлектрика, размещенный между двумя кусками сверхпроводника (так называемый стационарный эффект Джозефсона). Год спустя, эффект был экспериментально открыт американскими физиками Филипом Андерсоном и Джоном Роуэллом.
Брайан Дэвид Джозефсон
Джозефсон также предположил, что если к описанному контакту приложить разность потенциалов выше критической, то через него пойдет осциллирующий ток с частотой, зависящей только от величины приложенного напряжения (нестационарный эффект Джозефсона). Оба эффекта продемонстрировали высокую чувствительность области контакта сверхпроводников с диэлектриком к магнитному полю.
Итак, два куска сверхпроводника разделены пленкой оксида металла толщиной порядка 10 ангстрем, то есть 1 нанометр. Электроны проводимости, благодаря туннельному эффекту, беспрепятственно проходят через эту пленку. Если перпендикулярно плоскости контакта начать пропускать ток, величина которого находится в пределах определенной критической величины, то никакого падения напряжения на контакте наблюдаться не будет. В этом и заключается стационарный эффект Джозефсона.
Если же теперь ток через контакт увеличить до такой степени, чтобы его величина превысила критическое значение, то на контакте появится падение напряжения, а область диэлектрика станет излучать электромагнитные волны.
Суть в том, что куперовские пары электронов, участвующие в сверхпроводящем токе, переходя через контакт сверхпроводника с диэлектриком, приобретают избыточную энергию относительно своего основного состояния в сверхпроводнике.
Вернуться в основное состояние куперовская пара может лишь излучив квант электромагнитной энергии, равный hv = 2eV. В этом заключается нестационарный эффект Джозефсона. Частота электромагнитного излучения в данном случае будет связана с величиной напряжения, приложенного к контакту, следующим соотношением: v = 2eV/h.
Аналогичным образом электроны ведут себя и в том случае, если вместо диэлектрика между сверхпроводящими образцами находится точечный контакт или помещен слой металла в нормальном состоянии. Такие системы именуют слабосвязанными сверхпроводниками.
Применение эффекта Джозефсона
Эффект Джозефсона положен в основу функционирования сверхпроводящих интерферометров: две одинаковые ветви сверхпроводников со слоями диэлектрика включены параллельно, образуя единую цепь. Сверхпроводящие токи складываются, проходя через две ветви данной цепи.
Но, поскольку критический ток в переходе Джозефсона сильно зависит от внешнего магнитного поля, интерферометры на базе эффекта Джозефсона оказываются полезны при измерении даже очень слабых магнитных полей (порядка наноэрстеда).
СКВИД (сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство) относится к устройству в виде чипа для чрезвычайно точного измерения слабых магнитных полей на основе эффекта Джозефсона. Они широко используются в науке и технике, а также в медицинской диагностике, поскольку электрические токи в живых организмах генерируют слабые магнитные поля.
Магнитоэнцефалография (МЭГ) таким образом измеряет нейронную активность головного мозга, магнитокардиография (МКГ) — активность сердечной мышцы. СКВИДы способны регистрировать слабые магнитные поля до 5 х 10–18 Тл. Магнитное поле Земли в 10 триллионов раз сильнее. Чувствительность этих устройств находится на самом пределе, который природа допускает для соотношений неопределенностей Гейзенберга.
В метрологии преобразование микроволнового излучения в электрическое напряжение с помощью эффекта Джозефсона лежит в основе стандартов измерения электрического напряжения.
Явление используется для определения значений основных физических констант: элементарного заряда и постоянной Планка. Весы Ватта используют эффект Джозефсона для точного измерения веса. Международное бюро мер и весов планирует, что этот метод взвешивания станет частью нового определения килограмма.
При поддержании постоянного напряжения на переходе Джозефсона, в месте перехода будут наблюдаться колебания электромагнитного поля высокой частоты. Таким образом Джозефсоновский переход может выступать источником СВЧ-колебаний при характерных частотах недостижимых иными путями.
В начале 60-х Янсон, Свистунов и Дмитренко, исследуя сверхпроводящие образцы олова со слоем оксида (10-20 ангстрем) между ними, наблюдали явление возбуждения «резонансных колебаний в туннельной структуре». Они измерили отчетливые дискретные значения критического напряжения в условиях различных величин магнитного поля, в которое помещался образец.
Переходы Джозефсона могут быть созданы из высокотемпературных сверхпроводников, таких как керамика YBCO.
Европейское космическое агентство разработало сверхпроводящую камеру, в которой используется детектор на основе эффекта Джозефсона. Преимущество детектора в том, что он измеряет как интенсивность излучения, так и длину волны и регистрирует почти все падающие фотоны. Условием, однако, является охлаждение до температуры 0,3 Кельвина. Он используется экспериментально телескопом Уильяма Гершеля на Канарских островах.
Телескоп на Канарских островах
Периодически исследователями делаются попытки создания квантовой электроники на базе эффекта Джозефсона. Суть в том, что в длинном Джозефсоновском переходе может двигаться уединенная волна (солитон) - квант магнитного потока. В неоднородном переходе Джозефсона такие солитоны способны цепляться за неоднородности и накапливаться.
Гипотетически солитоны можно накапливать и пересылать вдоль перехода, а также использовать их для передачи информации между большим количеством связанных друг с другом длинных Джозефсоновских переходов. В перспективе, возможно, на этой базе будет даже создан сверхпроводящий квантовый компьютер.
Технология RSFQ (быстрый квант одиночного потока) использует джозефсоновские переходы для электронной обработки сигналов. Это альтернатива передовой технологии КМОП-транзисторов.
Преимуществом является высокая рабочая частота (около 100 ГГц) и, следовательно, скорость вычислений. Недостатком является необходимость дорогостоящего охлаждения жидким гелием.