Квантовая интерференция

Квантовая интерференция. Уже в первом эксперименте было обнаружено, что максимальный сверхпроводящий ток Ic в магнитном поле, параллельном плоскости контакта, немонотонно зависит с периодом, равным кванту потока от величины магнитного потока, проникающего в контакт.

Эта зависимость показана на рис. 2. Как видно из рисунка, в случае, когда поток равен целому числу квантов, происходит компенсация токов, текущих в противоположные стороны в разных точках контакта, и результирующий критический ток оказывается равным нулю. Этот график аналогичен зависимости интенсивности света на экране при дифракции на одиночной щели от расстояния до центральной точки и наглядно демонстрирует волновые свойства сверхпроводящих токов.

Рис. 2.Зависимость критического тока Im нормированного на критический ток при отсутствии поля Ic джозефсоновского контакта от величины потока внешнего магнитного поля Чтобы рассмотрение этого явления стало более простым, включим туннельный контакт в сверхпроводящий контур кольцо. Магнитный поток через площадь сверхпроводящего кольца не содержащего контакта строго постоянен.

Его значение, как уже говорилось, квантуется. Оно равно целому числу квантов, и изменить его, не переводя кольцо в нормальное состояние, невозможно. Но если кольцо содержит слабую связь, то магнитный поток может меняться - кванты потока проникают в контур через это слабое место. Посмотрим, как при изменении внешнего магнитного поля меняется величина потока и тока I в кольце со слабой связью. Пусть сначала внешнее поле и ток в контуре равны нулю рис. 3, а. Поток при этом тоже равен нулю. Увеличим внешнее поле - по закону индукции Фарадея в контуре появится сверхпроводящий ток, своим магнитным полем по закону Ленца компенсирующий внешний поток.

Так будет происходить, пока ток в контуре не станет равным критическому току контакта Ic рис. 3, б. Для простоты рассмотрения выберем площадь кольца такой, чтобы при I Ic внешнее поле создавало поток, равный половине кванта потока. Рис. 3.Сверхпроводящий контур с джозефсоновским элементом во внешнем магнитном поле Как только ток станет больше Ic, сверхпроводимость в контакте нарушится и в контур войдет квант потока рис. 3, в. При этом отношение скачком увеличится на единицу, а направление тока изменится на противоположное, хотя его величина останется прежней Ic. Действительно, если до вхождения кванта потока ток Ic полностью экранировал внешний поток, то после вхождения он должен усиливать внешний поток до значения. Таким образом, контур перешел в новое квантовое состояние.

При дальнейшем увеличении внешнего поля ток в кольце будет уменьшаться, а поток будет оставаться равным. Ток обратится в нуль, когда внешний поток станет равным рис. 3, г, а затем ток потечет в обратном направлении, частично экранируя внешний поток.

При внешнем потоке ток опять станет равным Ic, сверхпроводимость нарушится, войдет следующий квант потока и т.д. Ступенчатый характер рассмотренных зависимостей позволяет почувствовать отдельные кванты потока, а ведь эта величина очень мала, всего лишь порядка Вб. Особенно ярко когерентные свойства сверхпроводящего состояния проявляются при включении в контур двух джозефсоновских контактов рис. 4, а. Полный ток I при этом определяется интерференцией токов, протекающих через контакты 2 где и - скачки фаз волновых функций на переходах, а критические токи обоих контактов для простоты взяты одинаковыми и равными Ic. В результате критический ток Im периодически зависит от внешнего магнитного поля и обращается в нуль, когда поток равен полуцелому числу квантов рис. 4, б. Эта зависимость в точности соответствует оптическому аналогу - зависимости интенсивности света на экране от расстояния при дифракции на двух щелях.

Рис. 4.Двухконтактный интерферометр.

Схема а и зависимость критического тока от величины магнитного потока б Описанные явления лежат в основе интересных и важных устройств - сверхпроводниковых квантовых интерферометров.