Эффект джозефсона

 Как только ток станет  больше Ic , сверхпроводимость в контакте нарушится и в контур войдет квант потока F0. При этом отношение F / F0 скачком увеличится на единицу, а направление тока изменится на противоположное, хотя его величина останется прежней Ic . Действительно, если до вхождения кванта потока F0 ток Ic полностью экранировал внешний поток F = F0 /2, то после вхождения он должен усиливать внешний поток F0 /2 до значения F0 . Таким образом, контур перешел в новое квантовое состояние.

 При дальнейшем увеличении  внешнего поля ток в кольце  будет уменьшаться, а поток  будет оставаться равным F0 . Ток  обратится в нуль, когда внешний  поток станет равным F0, а затем  ток потечет в обратном направлении,  частично экранируя внешний поток.  При внешнем потоке 3F0 /2 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 ~ 2 " 10-15 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:

                                   Im = Ic sin j1 +Ic sin j2                                            (2)

 где j1 и j2 - 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.

 Описанные явления  лежат в основе интересных  и важных устройств - сверхпроводниковых  квантовых интерферометров.

 

 

3 Нестационарный эффект Джозефсона

 

Мы рассматривали явления  на туннельном контакте двух сверхпроводников с тонкой диэлектрической прослойкой, когда через него пропускают ток, меньший или равный критическому. Теперь перейдем к случаю, когда ток превышает критический и на сверхпроводящем туннельном контакте появляется падение напряжения. Оказывается, приложение постоянного напряжения V приводит к тому, что такой переход начинает самопроизвольно генерировать переменный ток, частота которого w задается фундаментальным соотношением Джозефсона:

                                  2eV = "w.                                                                (3)

 Эта формула имеет  совершенно ясную интерпретацию.  Действительно, если на туннельном  переходе падает напряжение V, то  электроны в одной из металлических  обкладок будут обладать потенциальной  энергией, большей на eV, чем электроны в другой. В сверхпроводящей обкладке ток переносится куперовскими парами, суммарный заряд которых 2е, а избыточная потенциальная энергия 2eV. В результате туннелирования сквозь диэлектрик электрон попадает в другую металлическую обкладку и должен каким-то образом уменьшить свою энергию, чтобы перейти в равновесное состояние, в котором находятся остальные электроны. В обычном металле это произойдет вследствие возбуждения тепловых колебаний в кристаллической решетке. Путем таких столкновений избыточная энергия перейдет в тепло. Подобные столкновения приводят в металлах к электрическому сопротивлению, в сверхпроводнике же оно отсутствует. В нем куперовская пара не может отдать избыточную энергию решетке, пока эта энергия меньше 2D - энергии связи пары. Единственный выход - отдать избыточную энергию 2eV в виде кванта электромагнитного излучения "w.

 Излучение электромагнитных  волн при приложении к джозефсоновскому переходу напряжения происходит аналогично излучению света атомами. Электрон в атоме, обладая избыточной энергией (находясь в возбужденном состоянии), переходит на более низкий уровень энергии, также излучая квант света. Отличие в том, что электроны в атомах, как и в нормальных металлах, подчиняются статистике Ферми-Дирака и, если какое-либо состояние занято другим электроном, такой переход невозможен. Куперовские пары подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, и для них нижний уровень энергии всегда неограниченно свободен. В этом смысле они напоминают скорее когерентные фотоны в излучении лазера.

 Частота джозефсоновской генерации довольно высока, отношение 2e / h численно равно примерно 500 МГц/мкВ. Поэтому, когда напряжение равно, скажем, миллионной доле вольта, частота излучения соответствует диапазону ультракоротких радиоволн (длина волны ~ 60 см). Надо сказать, что это излучение не так легко вывести из узкой щели между сверхпроводящими пленками, где оно генерируется. Да и мощность его очень мала. Поэтому экспериментальное обнаружение излучения Джозефсона было непростой задачей. Тем не менее спустя всего лишь два года после опубликования статьи Джозефсона оно было обнаружено в Харьковском физико-техническом институте низких температур учеными И.М. Дмитренко, В.М. Свистуновым и И.К. Янсоном.

 Легче всего наблюдать  нестационарный эффект Джозефсона косвенным образом - по особенностям на вольт-амперных характеристиках контактов.

 Мы уже знаем, что, если через джозефсоновский переход пропускать ток, больший критического, напряжение на переходе и ток через него кроме постоянной составляющей будут иметь и переменную составляющую, частота которой определяется фундаментальным соотношением Джозефсона (2). Если теперь переход поместить во внешнее высокочастотное электромагнитное поле, то, если частота этого поля совпадает с частотой джозефсоновской генерации, должен возникнуть резонанс. Оказывается, он возникает не только при совпадении частот, но и когда частота джозефсоновской генерации кратна (в целое число раз больше) частоте внешнего поля. Действительно, вольт-амперная характеристика для усредненных значений тока и напряжения имеет вид ступенчатой кривой. Расстояния по напряжению между ступеньками в точности равны "w /(2e). На возможность наблюдения таких ступенек указывал в своей работе Джозефсон, а обнаружены они были впервые американским ученым Шапиро, что явилось первым доказательством существования нестационарного эффекта Джозефсона. Эти ступеньки так и называются - ступеньки Шапиро.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Использование эффекта Джозефсона в эталонах

 

На основании эффекта Джозефсона выполнены эталоны единиц постоянного напряжения — вольта во многих промышленно развитых странах. В состав первых эталонов обычно входили несколько контактов, возбуждаемых СВЧ излучением на частоте 8...10 ГГц. Значение квантованного напряжения составляло при этом 4...10 мВ.

 

Рисунок 1- Экспериментальная установка для наблюдения квантового эффекта Джозефсона (BNM)

Такое низкое значение воспроизводимого напряжения вызывало необходимость включать в состав эталона масштабные преобразователи напряжения различной конструкции (делители) для связи с калибруемыми мерами (например, нормальными элементами), приводящие к потере точности. Однако в дальнейшем были созданы интегральные схемы (матрицы), включающие в себя несколько тысяч последовательно соединенных контактов Джозефсона и позволяющие воспроизводить напряжение непосредственно в 1 В и выше (до 10 В). Наилучшие результаты в настоящее время получены с контактами типа SIS (сверхпроводник—изолятор—сверхпроводник) Nb/AbOj/Nb [3.7]. хотя работы по их совершенствованию продолжаются. Технология изготовления таких интегральных схем весьма сложна, ею обладают весьма немногие страны (особенно это касается 10-вольтовых матриц). Внешний вид матрицы приведен на рис. 2.

Рисунок 2– Внешний вид матрицы Джозефсона

 

Криозоид с матрицей контактов Джозефсона помещается в криогенную среду (жидкий гелий), создаваемую обычно в сосуде Дыоара. Генератор СВЧ с частотой порядка 70 ГГц облучает матрицу КД. Частота этого генератора синхронизируется источником эталонной частоты / с помощью системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и измеряется электронно-счетным частотомером (ЭСЧ).

Характериограф с осциллографическпм индикатором предназначен для регистрации ступенчатой вольт-амперной характеристик и джозефеоновского источника, т.е. наличия факта резонансного взаимодействия и эффекта Джозефсона.

Устройство регулировки и контроля используется для установки необходимых режимов и предварительного (грубого) контроля воспроизводимого напряжения (ЭДС), в частности, точного контроля номера ступеньки ВАХ матрицы с помощью цифрового вольтметра.

Система коммутации и компарирования необходима для минимизации термо-ЭДС, возникающей при переходе or гелиевой (4,2 К) к комнатной (290 К) температуре, а также передачи значения ЭДС, воспроизведенной джозефсоновским источником, системе хранения эталона.

Помимо источника джозефсоновского напряжения эталон должен включать в себя также упомянутую выше систему хранения единицы и ее передачи. Эта система состоит из мер ЭДС и компараторов. Обычно в качестве мер ЭДС используются насыщенные нормальные элементы (группа от 10 до 20 штук в специальном термостате). хотя в ряде стран в последнее время предпочтение отдается твердотельным мерам ЭДС на прецизионных стабилитронах (диодах Зеппера). Многие страны имеют в составе своих национальных эталонов меры ЭДС обоих видов.

Таким образом, в современном эталоне  ЭДС, основанном на эффекте Джозефсона, источник джозефсоновского напряжения следует рассматривать как калибратор мер - хранителей единицы ЭДС, который включается 1-2 раза в год во время аттестации эталона, а вся практическая работа по хранению и передаче размера единицы ведется с мерами.

Основным требованием к системе  храпения эталона является долговременная стабильность, другим - возможность  транспортировки для проведения взаимных сличений эталонов. Первому требованию (при соблюдении определенных условии хранения) нан- лучшим образом отвечает групповая мера на 1Н1Э, в меньшей степени — ТТМ. Однако последняя имеет несомненное преимущество перед ННЭ как транспортабельный эталон сравнения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3- Транспортабельный эталон вольта на эффекте Джозефсона

 

Отметим также, что в структуру  эталона входят очень важные дополнительные устройства и системы, существенно  влияющие на его метрологические  характеристики: фильтры электрических  и магнитных помех в составе  криозоида. система экранирования помещения от внешних электромагнитных помех, системы термостатирования, заземления, гидроизоляции, высококачественного энергоснабжения.

Эталон единицы ЭДС на квантовом  эффекте Джозефсона в СССР был создан в 1980 году (В11ИИМ им. Менделеева) одним из первых в мире. Он включал в себя джозефсоновскую меру напряжения на четырех контактах, клистронный генератор СВЧ с частотой около 8,6 ГГц, стабилизированный по частоте сигналом вторичного эталона частоты, резистивный компаратор для сличения напряжения, воспроизводимого мерой (порядка 4 мВ). с ЭДС эталонных нормальных элементов (1,018...0 В). Эталон имел НСП воспроизведения 0₍,< 1-10 " и СКО S₀~ 5*10^-8 что соответствовало мировому уровню того времени,

В последующие годы эталон неоднократно модернизировался и совершенствовался. В новом ГПЭ, утвержденном в 2001 году, воплощены последние достижения в этой области. В составе эталона имеются многоэлементные матрицы джозефсоновских контактов на 1 и 10 В. стабилизированный источник СВЧ излучения в диапазоне 60…...80 ГГц на лампе обратной волны, система хранителей единицы на основе групповой меры ННЭ и ТТМ, компараторы постоянного напряжения, управляющая ЭВМ. В структуру эталонного комплекса входит также необходимое криогенное оборудование, измерительные. контрольные и вспомогательные средства системы защиты от электромагнитных помех, термостабилизации и автоматизации.

 

 

Рисунок 4– Государственный первичный эталон единицы ЭДС

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

 

Эффект Джозефсона используется в сверхпроводящих интерферометрах, содержащих два параллельных контакта Джозефсона. При этом сверхпроводящие токи, проходящие через контакт, могут интерферировать. Оказывается, что критический ток для такого соединения чрезвычайно сильно зависит от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать устройство для очень точного измерения магнитных полей.

Если в переходе Джозефсона поддерживать постоянное напряжение, то в нём возникнут высокочастотные колебания. Этот эффект, называемый джозефсоновской генерацией, впервые наблюдали И. К. Янсон, В. М. Свистунов и И. М. Дмитренко. Возможен, конечно, и обратный процесс — джозефсоновское поглощение. Таким образом, джозефсоновский контакт можно использовать как генератор электромагнитных волн или как приёмник (эти генераторы и приёмники могут работать в диапазонах частот, недостижимых другими методами).

В длинном джозефсоновском переходе (ДДП) вдоль перехода может двигаться солитон (Джозефсоновский вихрь), перенося квант магнитного потока. Существуют и многосолитонные состояния, переносящие целое число квантов потока. Их движения описываются нелинейным уравнением синус-Гордона. Такой джозефсоновский солитон подобен солитону Френкеля (число квантов потока сохраняется). Если изолирующий слой сделать неоднородным, то солитоны будут «цепляться» за неоднородности, и, чтобы сдвинуть их, придётся приложить достаточно большое внешнее напряжение. Таким образом, солитоны можно накапливать и пересылать вдоль перехода: естественно было бы попытаться использовать их для записи и передачи информации в системе большого числа связанных между собой ДДП (квантовый компьютер).

В конце 80-х годов в  Японии был создан экспериментальный  процессор на эффекте Джозефсона. Хотя 4-разрядное АЛУ делало его неприменимым на практике, данное научное исследование было серьёзным экспериментом, открывающим перспективы на будущее.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

 

1. Эталоны. Учебное пособие. К. В. Сафронова — Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2006
2. Физическая энциклопедия.- М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.- Т.2.- С.76-77.- Т.5.- С.98-99.
3. Электроника. Энциклопедический словарь.- М.: Советская энциклопедия, 1991.- С.530-541, 544-545.
4. Сивухин С.Д. Общий курс физики.- М.: Наука, 1977.- Т.3. Электричество.- С.481-487.
5. И.В.Савельев. Курс общей физики, т.З, Москва, Наука, 1979
6. Гольцман Г.Н. Эффекты Джозефсона в сверхпроводниках , 2000
7. WWW.TECHBOOK.RU
8. А.С. Катков «Транспортируемый эталон вольта, основанный на квантовом эффекте Джозефсона»
9. www.wikipedia.com
10. Лихарев К.К., Ульрих Б.Т. – Системы с джозефсоновскими контактами: основы теории.