Фізична суть ефекта Джозефсона

Ефект Джозефсона виникає за деяких умов в контактах двох надпровідників, розділених тонким шаром діелектрика (рис. 4.4) [32, 34]. Ефект одержав назву за ім’ям англійського вченого Б. Джозефсона, що відкрив його в 1962 році.

Рис. 4.4. Схематичне зображення джозефсонівского переходу

Науковий опис цього ефекту виходить за рамки даного посібника, тому розглянемо його фізичну суть коротко. Відомо, що при температурі нижче визначеної критичної , властивої даному матеріалу чи сплаву, останній переходить в особливий надпровідний стан, у якому електричні й магнітні властивості принципово відрізняються від тих, які метал (сплав) має при звичайних температурах. Виникнення надпровідного стану пояснюється появою особливого роду носіїв електричного заряду – зв'язаних електронних (куперівських) пар, які утворюються при . Наведемо такий приклад (рис. 4.5).

Якщо постійну напругу прикласти до надпровідника , у колі потече електричний струм , а падіння напруги на надпровіднику буде дорівнювати нулю (рис. 4.5 а).

Якщо тепер надпровідник розділити на 2 частини з великою відстанню між ними, струм текти не буде, а вольтметр покаже напругу джерела (рис. 4.5 б).

Рис. 4.5. До пояснення фізичної суті ефекту Джозефсона

При зменшенні відстані між двома надпровідниками до деякого значення (порядку одиниць нм), має місце перехід електронів з одного надпровідника в інший (тунелювання куперівских пар електронів), тобто в колі потече струм, хоча падіння напруги між надпровідниками не буде (рис. 4.5 в). Це явище одержало назву стаціонарного ефекту Джозефсона.

При збільшенні струму більше деякого критичного надлишок енергії випромінюється у вигляді кванта світла – фотона з енергією , тобто коло починає генерувати ВЧ-напругу (рис. 4.5 г). Частота цього випромінювання визначається законом збереження енергії:

.

Це явище назвали нестаціонарним ефектом Джозефсона. Воно має обернений характер, тобто якщо опромінювати джозефсонівский перехід коливанням з деякою частотою , то при збігу цієї частоти з характерною для даної напруги U частотою виникає резонансна взаємодія. Такий же резонанс настає при , де – ціле число, у результаті чого на вольт-амперній характеристиці (ВАХ) переходу з'являються особливості (рис. 4.6) у вигляді сходинок при напругах

,

де − номер сходинки.

Величина називається квантом магнітного потоку, обернена – сталою Джозефсона.

Рис. 4.6. Вольт-амперна характеристика джозефсонівського переходу

Оскільки частота в даний час може бути створена дуже стабільною і точно виміряна, теоретично досяжна точність відтворення напруги за допомогою ефекту Джозефсона при коректній апаратурній реалізації обмежується похибкою визначення h/2е.