12.4. Эффекты Джозефсона

В 1962 году Джозефсоном был теоретически предсказан эффект слабой сверхпроводимости. Этот эффект, позднее обнаруженный на опыте, еще раз подтвердил тот факт, что сверхпроводимость является квантовым эффектом.  Под термином «слабая сверхпроводимость» понимаются сверхпроводящие явления в системах со слабо связанными сверхпроводниками, т. е. когда в сверхпроводящей цепи имеется участок, в котором тем или иным способом сверхпроводимость подавлена (своеобразное «слабое звено»).

Джозефсон проанализировал ситуацию, когда сверхпроводящий ток способен течь через контакт между двумя сверхпроводниками, разделенными очень тонким слоем диэлектрика. Обнаруженный впоследствии на практике, этот эффект был назван эффектом Джозефсона.

Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Первый из них состоит в возможности протекания постоянного тока через туннельный контакт между сверхпроводниками, заполненный диэлектриком толщиной 1–2 нм. Существенно то, что сверхпроводящий ток в этом случае протекает через барьер, характеризующийся нулевой разностью потенциалов.

Если исходить из хорошо известного квантово-механического выражения для плотности тока

(12.13)

и учесть, что волновая функция является в общем случае комплексной величиной, т. е.  (j − фаза волновой функции), то легко найти, что . В реальных металлах мы не наблюдаем (в отсутствие внешнего поля) макроскопического тока по причине того, что значения фазы у различных электронов являются случайными величинами и разброс фазы приводит к тому, что среднее значение плотности тока оказывается равным нулю.

Сверхпроводники, характеризуются электронной упорядоченностью, фазовой когерентностью. При этом все электронные пары в данном сверхпроводнике характеризуются волновыми функциями, имеющими одинаковую фазу, и ток отсутствует (). Однако, если образовать туннельный контакт, состоящий из двух различных сверхпроводников, то через такой контакт, даже в отсутствие разности потенциалов V=0, потечет ток, зависящий от разности фаз (рис. 12.14). Плотность этого тока (тока Джозефсона) описывается следующим простым соотношением:

.

(12.14)

 

Рис. 12.14. Схематическая иллюстрация эффекта Джозефсона, когда прямой сверхпроводящий ток (вплоть до величины Iс) течет через слой диэлектрика без сопротивления [90]

 

Это явление непосредственно определяется такой фундаментальной квантово-механической характеристикой, как фаза волновой функции.

Вид типичной вольт-амперной характеристики контакта металл−диэлектрик− сверхпроводник вблизи критической температуры и при переходе в сверхпроводящее состояние приведен на рис. 12.15, а на рис. 12.16 изображены вольт-амперные зависимости контакта сверхпроводник−диэлетрик−сверхпроводник при нескольких температурах. На рис. 12.16 видно, что при температуре 1,3 К вольт-амперная характеристика соответствует обычному проводнику. При понижении температуры до 1,2 К на графике появляется характерный перегиб, увеличивающийся при дальнейшем понижении температуры. При температуре 0,3 К ток через контакт появляется скачкообразно при напряжении около 3,8 В.

 

Рис. 12.15. Вид вольт-амперной характеристики контакта металл-диэлектрик-сверхпроводник при 0 К и вблизи критической температуры [90]

Рис. 12.16. Типичная вольт-амперная характеристика контакта А1-Аl2О3-А1 (сверхпроводник¾диэлектрик¾сверхпроводник) [90]

 

Нестационарный эффект Джозефсона проявляется в том случае, когда к туннельному контакту прикладывается постоянная разность потенциалов. Обнаружено, что в этом случае через такой контакт потечет переменный сверхпроводящий ток. Этот переменный ток так же, как, например, ток в колебательном контуре, будет излучать электромагнитные волны, и это излучение наблюдается на опыте. В 1965 году в Харькове Янсоном, Свистуновым и Дмитриенко впервые было обнаружено джозефсоновское электромагнитное излучение.

Куперовские пары, переходя через слой диэлектрика, приобретают энергию 2eU (U − разность потенциалов, приложенная к контакту). В обычном металле эта энергия была бы необходима для преодоления сил сопротивления. При протекании же сверхпроводящего тока не требуется затрат энергии, и полученная электронной парой энергия 2eU излучается в виде кванта с энергией . На опыте действительно наблюдалось излучение с частотой . Поскольку излучать энергию может только переменный ток, то именно такой ток и течет через контакт Джозефсона.

Конечно, при температуре, отличной от абсолютного нуля, через контакт, кроме сверхпроводящего тока, может течь нормальный ток, создаваемый неспаренными электронами. Однако, пока напряжение мало (ниже некоторого порогового значения), величина этого тока ничтожна.

Итак, нестационарный эффект Джозефсона позволяет создавать переменные токи с помощью постоянной разности потенциалов. Большой интерес представляет использование этого эффекта в сверхпроводящих квантовых генераторах с широким диапазоном частот.

Эффект Джозефсона используется в различного рода интерференционных устройствах (СКВИДах). Схематическое изображение одного из них, предназначенного для точного определения величины магнитного потока, приведено на рис. 12.17.

 

Рис. 12.17. Схематическое изображение сверхпроводящего квантового интерференционного устройства для определения величины замкнутого магнитного потока [90]