ТОП 10:

Нестационарный эффект Джозефсона



 

Стационарный эффект Джозефсона относится к прохождению через туннельный контакт (тонкий слой диэлектрика) двух сверхпроводников, к которым приложено внешнее напряжение V, электрического тока (тока электронов), сила (величина) которого меньше или равна критической IS. На контакте в этом случае падение напряжения отсутствует.

При некотором значении внешнего напряжения ток превысит критический IS и на сверхпроводящем туннельном контакте появится падение напряжения. Между системами куперовских пар возникает различие в энергии ∆E = 2eV, соответствующее квантовой закономерности для разности частот ∆ν = 2eV/ħ.Колебания в каждой из двух систем куперовских пар происходят с определенной, но не одинаковой частотой. Приложение к сверхпроводникам напряжения V приводит к тому, что куперовские пары электронов, проходя через туннельный контакт, приобретают относительно основного состояния сверхпроводника избыток потенциальной энергии. Для перехода в основное состояние, в котором находятся остальные электроны, куперовской паре необходимо уменьшить свою энергию. В обычном металле это произойдет вследствие возбуждения тепловых колебаний в кристаллической решетке. Путем таких столкновений избыточная энергия переходит в тепло. Подобные столкновения в металлах проявляются в форме электрического сопротивления проводника, в сверхпроводнике же электрическое сопротивление отсутствует. В нем куперовская пара не может отдать избыточную энергию решетке, пока эта энергия меньше энергии связи пары. Поэтому избыточная энергия излучается в виде кванта электромагнитной энергии. Возвращаясь в основное состояние по другую сторону контакта, пары излучают квант электромагнитной энергии h ∆ν = 2eV. В совокупности контакт начинает генерировать переменный ток, сила которого изменяется в зависимости от разности частот и времени.

Разность фаз волновых функций полупроводников

φ = 2π∆νt = 2π .

Сила переменного тока меняется по следующему закону:

I = IS sin ( ).

Таким образом, из уравнения следует, что ток меняется во времени с частотой 2eV/h и характер этого тока высокочастотный. Частота излучения джозефсоновского контакта довольно высока, отношение 2e/h численно равно примерно 500 МГц/мкВ. Поэтому, когда напряжение равно, например, миллионной доле вольта, частота излучения соответствует диапазону ультракоротких радиоволн (длина волны 60 см).

Излучение электромагнитных волн при приложении к джозефсоновскому контакту напряжения происходит аналогично излучению света атомами. Электрон в атоме, обладая избыточной энергией (находясь в возбужденном состоянии), переходит на более низкий уровень энергии, излучая квант света. Отличие в том, что электроны в атомах диэлектрика, как и в атомах металлов, подчиняются статистике Ферми – Дирака: 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 сравнении они напоминают скорее когерентные фотоны в излучении лазера.

Легче всего наблюдать нестационарный эффект Джозефсона косвенным образом по особенностям изменений графиков вольтамперных характеристик контактов.

Если через джозефсоновский контакт пропускать ток силой больше критической, падение напряжения на нем и ток через него кроме постоянной составляющей будут иметь и переменную составляющую, частота которой определяется фундаментальным соотношением h ∆ν = 2eV. Рассматриваемый эффект может быть доступен для наблюдения и измерений, если контакт поместить во внешнее высокочастотное электромагнитное поле.

При совпадении частоты этого поля с частотой электромагнитного излучения в контакте должен возникнуть резонанс. Резонанс возникает не только при совпадении частот, но и когда частота переменного тока в контакте Джозефсона кратна (здесь в целое число раз больше) частоте внешнего поля. Действительно, вольт-амперная характеристика для усредненных значений тока и напряжения имеет вид ступенчатой кривой (рис.5.24.). Ширина ступенек в направлении оси напряжений равна hw/(2e). На возможность наблюдения таких ступенек указывал в своей работе Джозефсон, а обнаружены впервые они были американским ученым С.Шапиро. Результаты работ последнего явились первым доказательством существования нестационарного эффекта Джозефсона. Эти ступеньки так и называются – «ступеньки Шапиро».

Частоту излучения в контакте и приложенное к нему напряжение, как известно, связывает множитель, равный удвоенной величине e/h - отношению заряда электрона к постоянной Планка. Ступеньки Шапиро, возникающие на вольт-амперной характеристике джозефсоновского контакта под действием внешнего высокочастотного поля (см. рис. 5.24), позволяют вместо очень слабо выраженного электромагнитного излучения измерять частоту этого внешнего поля. Таким образом, измеряя напряжения, соответствующие ступенькам, и частоту электромагнитного излучения, можно вычислить отношение e/h.

Следует отметить, что радиочастота – одна из немногих физических величин, которые могут быть измерены с очень высокой точностью. Электрическое напряжение не удается измерять с такой же точностью. Но точность определения отношения e/h с помощью нестационарного эффекта Джозефсона оказалась более высокой, чем это было раньше. Поэтому эффект Джозефсона был использован для создания стандарта единицы напряжения – вольта.

Существующие гальванические стандарты вольта медленно изменяются во времени: относительное изменение составляет примерно 3 · 10–7 в год. Периодическое сравнение напряжения эталона с экспериментально определенным значением на основе уравнения h∆ν = = 2eV при воздействии высокочастотного электромагнитного поля с высоким уровнем стабильности частоты на контакт Джозефсона позволяет вводить необходимую поправку и получить в целом гораздо более стабильный стандарт вольта. Основная трудность, с которой приходится сталкиваться в такого рода задаче, состоит в том, что напряжение на контакте малó. Оно составляет малую долю вольта. Поэтому для получения напряжения в один вольт соединяют последовательно большое число контактов и синхронизируют их излучение с помощью внешнего высокочастотного электромагнитного поля.

Эффект Джозефсона используется для измерения очень слабых магнитных полей, магнитная индуктивность которых составляет не более 10–18 Тл, малых токов силой до 10–10 А, напряжений до 10–15 В, в усилителях сигналов, в создании элементов логических устройств ЭВМ.

Эффект Холла

Американский физик Эдвин Герберт Холл в 1880 г. впервые описал эффект, впоследствии названный его именем. Он был связан с созданием дополнительного поперечного электрического поля, уравновешивающего силу Лоренца при установлении стационарного распределения зарядов в поперечном сечении пластины с током, помещенной в магнитное поле. Эффект Холла стал очень эффективным методом изучения энергетического спектра носителей электрического тока в металлах и полупроводниках. Применяется в умножителях постоянного в ЭВМ, широко распространенных датчиках Холла и в других устройствах. Первоначальная работа Э. Холла стала позднее основой для изучения соответствующего квантового эффекта.







Последнее изменение этой страницы: 2017-01-19; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.85.214.125 (0.004 с.)