ДЖОЗЕФСОНА ЭФФЕКТ

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Представим 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 ~ 10 Å. 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 Н0), 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 2eU (см. Туннельный эффект). Избавиться от этой «лишней» энергии в сверхпроводнике, где нет тепловых потерь, можно, только излучив квант энергии. Частота кванта ω связана с напряжением U соотношением: hω = 2eU. 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.