Эффект Джозефсона

Тонкий слой диэлектрика (обычно пленка окиси металла толщиной 1...2 нм), разделяющий два проводника, называется туннельным контактом.

Рис. 34.4

В 1962 г. Б. Джозефсон теоретически предсказал возможность протекание сверхпроводящего тока через туннельный контакт. Схема для наблюдения эффекта Джозефсона показана на рис. 34.4. Напряжение, подаваемое на туннельный контакт, можно регулировать с помощью переменного сопротивления R. Вольтметр V показывает падение напряжения на туннельном контакте.

Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона. Стационарный эффект состоит в том, что если ток через туннельный контакт не превышает некоторого критического значения I<I_кр, то падение напряжения на контакте равно нулю. Механизм этого явления состоит в следующем. При наложении внешнего электрического поля на контакт происходит смещение уровней энергии куперовских пар. Пусть величина смещения меньше энергетического зазора между заполненными и незаполненными уровнями, т.е. 2eU<2D (рис. 34.5, а). Тогда куперовская пара из одного сверхпроводника может туннелировать через слой диэлектрика в другой сверхпроводник. Поскольку куперовские пары являются бозонами, то такой процесс возможен даже тогда, когда соответствующий уровень энергии второго сверхпроводника занят.

Рис. 34.5

Процесс туннелирования куперовской пары протекает без ее разрушения и сверхпроводимость туннельного контакта сохраняется, т.е. его сопротивление R=0, и, следовательно, падения напряжения на контакте U = IR = = I× 0 = 0.

Нестационарный эффект Джозефсона состоит в том, что если через туннельный контакт пропустить электрический ток, больший критического, то на контакте возникает падения напряжения и контакт излучает электромагнитные волны. Критическому току соответствует некоторое напряжение U, при котором смещение уровней энергии куперовских пар становится равным ширине энергетического зазора между заполненными и незаполненными уровнями энергии: 2eU=2D (рис. 34.5, б). При туннелировании через контакт куперовская пара из верхнего заполненного уровня одного сверхпроводника попадает на нижний незаполненный уровень другого сверхпроводника и, следовательно, обладает избытком энергии по сравнению с другими куперовскими парами. Единственная возможность избавиться от избытка энергии состоит в излучении кванта электромагнитного излучения с энергией hn = 2eU. Таким образом, контакт излучает электромагнитные волны с частотой

.

(34.1)

Измерив на опыте частоту электромагнитного излучения, из соотношения (34.1) можно найти отношение двух фундаментальных констант с точностью, которая значительно превосходит точность измерения другими методами.

Сверхпроводящее кольцо, разделенное двумя тонкими слоями из нормального металла, используется как устройство (называемое сквидом) для измерения слабых магнитных полей (до 10^–18 Тл), малых токов (до 10^–10 A) и напряжений (до 10^–15 В). Высокая чувствительность таких приборов объясняется тем, что критический ток периодически зависит от внешнего магнитного поля (с периодом, равным кванту потока F₀).

Эффект Джозефсона лежит в основе детекторов СВЧ, быстродействующих логических устройств ЭВМ и др.