Стационарный эффект Джозефсона

 

Джозефсон рассматривал частный случай туннельного эффекта – туннелирование куперовских пар – и предсказал существование двух эффектов. Первый из них состоит в том, что через туннельный переход с тонким слоем диэлектрика, когда его толщина меньше определенной величины, возможно протекание сверхпроводящего тока, т.е. тока без сопротивления. Предсказывалось, 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. Высокочастотное излучение электромагнитного излучения составляет существо нестационарного эффекта Джозефсона.

Эти эффекты были подтверждены экспериментально. В основе эффектов Джозефсона лежат квантовые свойства сверхпроводящего состояния. Действительно, сверхпроводящее состояние характеризуется когерентностью (согласованностью) 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 общей амплитудой и фазой электромагнитной волны.

Можно представить два массивных куска одного и того же сверхпроводника, полностью изолированных друг от друга. Так как оба они находятся в сверхпроводящем состоянии, то системе куперовских пар в каждом из проводников будет соответствовать своя волновая функция. Модули обеих волновых функций должны совпадать, так как проводники состоят из одного и того же материала и имеют одну и ту же температуру. Фазы волновых функций будут произвольными из-за самостоятельности систем. При возникновении между системами слабого контакта, например туннельного, куперовские пары будут проникать из одного сверхпроводника в другой и между системами установится фазовая когерентность, т.е. постоянная величина в сдвиге фаз. Возникнет единая волновая функция всего сверхпроводника, которую можно рассматривать как результат интерференции волновых функций двух сверхпроводников. Ток сверхпроводимости будет равен I = I_S sin (φ₂ – φ₁) = I_S sin ∆φ, где I_S – максимальный ток через изолирующий слой, определяемый силой взаимодействия систем куперовских пар под действием внешнего напряжения.

Схема контакта Джозефсона представлена на рис. 5.21.

На стеклянную подложку 3 в виде пластинки наклеиваются контакты из индия. К контактам 1, 2, 4, 5, разнесенным друг от друга по углам пластины, припаиваются выводы для соединения с амперметром и источником питания (контакты 1 и 2) и с вольтметром (контакты 4 и 5). Контакты 1 и 4 соединяют полоской из сверхпроводника методом напыления. Поверхность полоски окисляют подогревом для образования окиси олова SnO (изолятора). Затем напыляют оловянную полоску между контактами 2 и 5. Крестообразное расположение полосок образует в месте их пересечения контакт Джозефсона.

Схема подключения контактов представлена на рис. 5.22. Здесь стеклянная пластина и токопроводящие полоски представлены в разрезе.

Зависимость силы тока I от напряжения U представлена на рис. 5.23.

В начале кривой (начало координат) наблюдается увеличение тока сверхпроводимости до максимального значения I_S при падении напряжения на контакте, равном нулю. Максимальная сила тока сверхпроводимости может достигать нескольких десятков миллиампер. Уменьшение выходного напряжения источника тока U ₀ приводит к уменьшению тока сверхпроводимости. Обратный ход графика зависимости силы тока I от напряжения U практически совпадаетс прямой зависимостью, а изменение знаков полюсов источника тока на противоположные ведет к получению такой же закономерности силы тока от напряжения в области их отрицательных значений.

Сверхпроводящий контакт характеризуется такими важными параметрами, как максимальный ток сверхпроводимости I _S и пороговое напряжение E_g/e,

где E_g – ширина запрещенной зоны, мэВ, являющейся важнейшей характеристикой в явлении сверхпроводимости.