Сборка молекул из отдельных деталей

Эта молекула, из 18 атомов цезия и 18 атомов йода была собрана путем последовательного присоединения отдельных атомов в атомно-силовом микроскопе.

Квантовый эффект Холла

При помещении металла в сильное магнитное поле уровни электронов квантуются (квантование Ландау), изменяются уровни Ферми, что приводит к осцилляции магнитной проницаемости, проводимости. Это явление заметно проявляется для сверхпроводников в магнитных полях (квантовый магниторезистивный эффект Холла). Суть его заключается в том, что если охладить МОП (металл – окисел – полупроводник) структуру (холловский контакт) до температуры ниже критической, то ее сопротивление в магнитном поле будет изменяться ступенчатым образом.

пли поглощается дополнительное количество тепла.ем.

гия увеличивается.к металлам выделяется или

(2.39)

где h = 25812.807 Ом – постоянная Клитцинга.

Рис. . Зависимость холловского сопротивления от магнитного поля. На зависимости холловского сопротивления указаны факторы заполнения для некоторых «плато».

Как было замечено Клитцингом, при измерении эффекта Холла в инверсном слое кремниевого МОП транзистора при низких температур (Т ~ 1 K) и в сильных магнитных полях (B > 1 Тл) линейная зависимость холловского сопротивления сменяется чередой ступеней (плато) как показано на Рис. . Когда на зависимоcти холловского сопротивления RH наблюдается плато, продольное электрическое сопротивление становится очень малой величиной. При низких температурах ток в образце может течь без диссипации (рассеяния). Квантовый эффект Джозефсона и его применение при построении эталона вольта

За последние десятилетия для построения эталонов стали применять новые физические эффекты, достаточно изученные физиками: квантовый эффект Джозефсона, квантовый эффект Холла, эффект Мейснера, эффект Мессбауэра и др. особенно важное значение в развитии эталонной измерительной техники, а в будущем и рабочих средств измерений имеют квантовые эффекты Джозефсона и Холла.

Квантовый эффект Джозефсона и его применение при построение эталона вольта. При температуре ниже определенной, свойственной данному металлу или сплаву, называемой критической температурой Т_кр, он переходит в особое, сверхпроводящее состояние, в котором электрические и магнитные свойства принципиально отличаются от тех, которые металл (сплав) имеет при обычных температурах.

В сверхпроводнике:

полностью отсутствует сопротивление постоянному электрическому току;

магнитный поток в сверхпроводящем кольце остается неизменным во времени;

внешние магнитное поле не проникает вглубь сверхпроводника, если напряженность поля Н< Н_кр (свойство идеального диамагнетизма). Имеют место и другие эффекты.

Возникновение сверхпроводящего состояния принято объяснять появление особого вида носителей электрического заряда – связанных электронных пар (куперовских пар), образуемых при Т< Т_кр. Объедините электронов в пары, как полагают, вызвано колебанием кристаллической решетки, что приводит к появлению эффективной силы фонового притяжения между электронами в сверхпроводнике (сила взаимного притяжения между электронами существует и в обычных условиях, но она в 5 ^.10⁴⁵раз меньше силы их кулоновского отталкивания). Энергия связи куперовской пары имеет порядок 10^-3 эВ (1 эВ = 1,6 ^.10^-19 Дж). При Т = 0 К все электроны в сверхпроводнике оказываются попарно связаны.

Эффект Джозефсона возникает между двумя сверхпроводниками, образующими туннельный контакт. Если два проводника (в обычном сотсоянии0 разделены окисной пленкой толщиной порядка 10^{-7 см, то из-за туннельного эффекта электроны переходят из одного проводника в другой и между ними устанавливается электрическое равновесие (разность потенциалов между проводниками равно нулю). Если же к проводникам приложить извне разность потенциалов, то через туннельный контакт будет протекать электрический ток.}

Если туннельный контакт образуется между двумя сверхпроводниками, то возникает эффект Джозефсона (стационарный или нестационарный), открытый английским ученным Б.Джозефсоном в 1962 г. Туннельный контакт при этом часто называют джозефсоновским.

Стационарный эффект Джозефсона состоит в том, что при нулевой разности потенциалов через туннельный контакт в сверхпроводнике течет малый постоянный электрический ток.

Нестационарный эффект Джозефсона возникает в случае, когда к джозефсоновскому контакту прикладывается постоянное напряжение U. При этом через контакт будет протекать переменный ток.

i(t) = I₀sin[φ₀ + (2e/hUt],

Где I₀ и φ₀ – постоянные величины, характеризующие амплитуду силы постоянного электрического тока и начальную фазу соответственно; e = 1,602 х 10^-19 Кл – заряд электрона (с точностью до 3-го знака после запятой); h = 6,626 ^. 10^-34 Дж ^. с – постоянная Планка.

Джозефсоновский контакт, на котором поддерживается постоянная разность потенциалов, испускаем электромагнитное излучение с частотой w.

Из этого следует очевидное выражение

ω = (2e/h)U

где ω = 2πf – круговая частота.

Величина ω/U=2e/h = 483,59767 МГц/мкВ является постоянной Джозефсона.

Нестандартный эффект Джезефсона обратим: если джозефмоновский контакт облучать электромагнитным полем с частотой w, то на контакте напряжение будет ступенчатым образом изменяться в зависимости от частоты внешнего электромагнитного поля с зависимостью

U = n(h/2e)f

Где f – частота электромагнитного поля.

При выполнении равенства 2eU = nhf каждый раз при увеличении числа n на единицу будут наблюдаться резкие ступеньки. Интервал между последовательными ступеньками достигает 4 – 5 мВ.

В России государственный первичный эталон ЭДС и постоянного напряжения воспроизводит вольт с помощью эффекта Джозефсона. Размер единицы вольта передается вторичному эталону, в качестве которого применяется группа термостатированных насыщенных элементов. При повышении точности определения значение величины (2e/h), ожидаемого в ближайшие годы, точность «джозефсоновского вольта» может возрасти более чем на 1 порядок.

Государственный первичны эталон единицы ЭДС и постоянного напряжения на основе эффекта Джозефсона имеет погрешность воспроизведения, оцениваемую средним квадратическим отклонением результата измерений, 5 ^. 10^-9; неисключенная систематическая погрешность составляет 5 ^. 10^-9. Вторичный эталон в виде группы насыщенных термостатированных НЭ имеет среднее квадратическое отклонение результата измерений 1,3 ^. 10^-8.

Устройства формирования и сжатия сложных сигналов на ПАВ

Физические основы акустооптических устройств Акустооптика —

Квантовый эффект Холла и его применение при построении эталона сопротивления

Примеры устройств на основе МЭМС прмышленного исполнения

Вернуться в оглавление: Физические явления