«Джозефсона эффект»

протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона); предсказан на основе теории сверхпроводимости (См. Сверхпроводимость) английским физиком Б. Джозефсоном в 1962, обнаружен американскими физиками П. Андерсоном и Дж. Роуэллом в 1963. Электроны проводимости проходят через диэлектрик (обычно плёнку окиси металла толщиной Джозефсона эффект 10 А) благодаря туннельному эффекту (См. Туннельный эффект). Если ток через контакт Джозефсона не превышает определённого значения, называемого критическим током контакта, то падение напряжения на контакте отсутствует (так называемый стационарный Д. э., см.рис., в). Если же через контакт пропускать ток, бо́льший критического, то на контакте возникает падение напряжения V, и контакт излучает электромагнитные волны (нестационарный Д. э.,рис., г). Частота излучения v связана с напряжением на контакте соотношением v = 2eV/h, где е — заряд электрона, h — Планка постоянная. Возникновение излучения связано с тем, что объединённые в пары электроны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную по отношению к основному состоянию сверхпроводника энергию 2eV. Единственная возможность для пары электронов вернуться в основное состояние — это излучить квант электромагнитной энергии hv = 2eV.

Аналогичный эффект наблюдается и в том случае, когда сверхпроводники соединены тонкой перемычкой (мостиком или точечным контактом) или между ними находится тонкий слой металла в нормальном состоянии. Такие системы вместе с контактами Джозефсона называют слабосвязанными сверхпроводниками. На основе Д. э. созданы сверхпроводящие интерферометры, содержащие две параллельно включённые слабые связи между сверхпроводниками. Особый, квантовый характер сверхпроводящего состояния приводит к интерференции сверхпроводящих токов, прошедших через слабые связи. При этом критический ток оказывается зависящим от внешнего магнитного поля, что позволяет использовать такое устройство для чрезвычайно точного измерения, до 8·10^-7—8·10^-8 a/м (10^-8—10^-9 э), магнитных полей. Имеются также возможности применения слабосвязанных сверхпроводников в качестве легко перестраивающихся в широком диапазоне частот маломощных генераторов, чувствительных детекторов, усилителей и др. приборов СВЧ- и далёкого ИК-диапазонов.

Лит.: Лангенберг Д. Н. [и др.], Эффекты Джозефсона, «Успехи физических наук», 1967, т. 91, в. 2, с. 317; Кулик И. О., Янсон И. К., Эффект Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах, М., 1970.

Л. Г. Асламазов.

Схемы экспериментов, объясняющих эффект Джозефсона: а — падение напряжения на включенном в электрическую цепь сверхпроводнике равно нулю; б — при значительной толщине диэлектрика, разделяющего сверхпроводники, тока в цепи нет, вольтметр показывает эдс батареи; в — при малом зазоре между сверхпроводниками (Джозефсона эффект 10 Å существует ток сверхпроводимости (стационарный Д. э.); г — при наличии тока в цепи и напряжения на контакте Джозефсона в нём возникает электромагнитное излучение (нестационарный Д. э.).

ДЖОЗЕФСОНА эффект - протекание сверхпроводящего тока через тонкий (~10 Е) слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (т. н. контакт Джозефсона). эффект предсказан Б. Джозефсоном (1962). На его основе создан сверхпроводящий квантовый интерферометр (сквид), с помощью которого уточнены значения ряда фундаментальных физических постоянных. Джозефсона эффект используется в криогенных приборах, а также в качестве быстродействующих логических элементов ЭВМ.

ДЖОЗЕФСОНА ЭФФЕКТ, протекание тока через тонкий (~1нм) слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (контакт Джозефсона; смотри Сверхпроводимость). Предсказан английским физиком Б. Джозефсоном (1962). Джозефсона эффект принадлежит к числу макроскопических квантовых явлений и основан на туннельном эффекте. Джозефсона эффект используется для измерения слабых магнитных полей, создания усилителей сигналов, переключательных и измерительных устройств с предельно низким уровнем шумов и др.

ДЖОЗЕФСОНА ЭФФЕКТ

протекание сверхпроводящего тока через тонкий слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (т. н. контакт Джозефсона); предсказан на основе теории сверхпроводимости англ. физиком Б. Джозефсоном (В. Josephson) (1962, Нобелевская премия (1973)), экспериментально обнаружен в 1963. Эл-ны проводимости проходят через диэлектрик (обычно плёнку окиси металла толщиной =10?=10-9 м) благодаря туннельному эффекту. Если ток через контакт Джозефсона не превышает определ. значения, наз. критич. током контакта, то падение напряжения на контакте отсутствует (т. н. стационарный Д. э.). Если же через контакт пропускать ток, больший критического, то на контакте возникает падение напряжения, и контакт излучает эл.-магн. волны (нестационарный Д. э.). Излучать эл.-магн. волны может только перем. ток — именно такой ток течёт сквозь контакт Джозефсона при постоянном падении напряжения V на контакте. Частота излучения nсвязана с V соотношением n=2eV/h, где е — заряд эл-на. Излучение обусловлено тем, что объединённые в пары эл-ны, создающие сверхпроводящий ток, при переходе через контакт приобретают избыточную по отношению к осн. состоянию сверхпроводника энергию 2eV. Единств. возможность для пары эл-нов вернуться в осн. состояние — это излучить квант эл.-магн. энергии hn=2eV. Д. э. указывает на существование в сверхпроводниках электронной упорядоченности — фазовой когерентности: в осн. состоянии все электронные пары (Куперовские пары, (см. КУПЕРА ЭФФЕКТ) имеют одинаковую фазу j, характеризующую их волновую функцию y=|y|eij. Контакту Джозефсона соответствует определ. разность фаз j*=j1-j2, где j1 и j2 — значения фазы волн. функции для сверхпроводников, разделённых контактом. Согласно квант. механике, при наличии разности фаз j* через контакт должен течь ток, плотность к-рого j=j0sinj*. Эксперим. обнаружение этого тока доказывает, что в природе существуют макроскопич. явления, непосредственно определяемые фазой волн. функции.

Аналогичный эффект наблюдается, когда сверхпроводники соединены тонкой перемычкой (мостиком или точечным контактом), а также если между ними находится тонкий слой металла в норм. состоянии или полупроводника. Такие системы вместе с контактами Джозефсона наз. слабосвязанными сверхпроводниками. На основе Д. э. созданы сверхпроводящие интерферометры, содержащие параллельно включённые слабые связи между сверхпроводниками. Результирующий ток, текущий через эти слабые связи, I=I1sinj*1+I2sinj*2, где j1* и j*2 — разности фаз на первом и втором контактах Джозефсона. Происходит своеобразная интерференция сверхпроводящих токов через слабые связи. При этом критич. ток оказывается периодически зависящим от потока внеш. магн. поля (с периодом, равным кванту потока Ф0), что позволяет использовать такое устройство для чрезвычайно точного измерения слабых магн. полей (до 10-18 Тл; такие магнитометры наз. сквидами), малых токов (до 10-10 А) и напряжений (до 10-15 В). Слабосвязанные сверхпроводники могут быть также использованы в кач-ве быстродействующих элементов логич. устройств ЭВМ, параметрич. преобразователей, чувствит. детекторов СВЧ, усилителей и др. электронных приборов.

Джо́зефсона эффе́кт

протекание сверхпроводящего тока через тонкий (Джо́зефсона эффе́кт10Å) слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (так называемый контакт Джозефсона). Эффект предсказан Б. Джозефсоном (1962). На его основе создан сверхпроводящий квантовый интерферометр (СКВИД), с помощью которого уточнены значения ряда фундаментальных физических постоянных. Эффект Джозефсона используется в криогенных приборах; контакты Джозефсона применяются также в качестве быстродействующих логических элементов ЭВМ.

* * *

ДЖО́ЗЕФСОНА ЭФФЕ́КТ, протекание сверхпроводящего тока через тонкую изолирующую или несверхпроводящую прослойку между двумя сверхпроводниками(см. СВЕРХПРОВОДНИКИ). Такие структуры называются джозефсоновскими контактами или S-I-S –контактами.

Стационарный эффект Джозефсона заключается в следующем. Когда на джозефсоновскую структуру наложена некоторая разность потенциалов, через нее течет ток. Но даже в отсутствии внешнего напряжения через контакт течет постоянный ток, который по сути является чисто сверхпроводящим, так как при пропускании через джозфсоновкий контакт достаточно слабого тока, напряжение на контакте отсутствует.

Нестационарный эффект наблюдается, когда ток достигает некоторой величины, при которой на контакте возникает разность потенциалов. В случае нестационарного эффекта Джозефсона, помимо постоянного тока в цепи возникает высокочастотный переменный ток. Переменный джозефсоновский ток, так же как и обычный ток в колебательном контуре, будет сопровождаться излучением электромагнитных волн: из заполненного диэлектриком зазора излучается энергия в виде высокочастотной электромагнитной волны. Для высококачественных джозефсоновских контактов толщина диэлектрической прослойки должна быть порядка нескольких нанометров, но тонкая диэлектрическая прослойка со временем деградирует в результате диффузии атомов из сверхпроводящих материалов.

Эффекты Джозефсона связаны с туннелированием куперовских электронных пар через заполненный диэлектриком зазор между двумя частями сверхпроводника ( см. Купера эффект(см. КУПЕРА ЭФФЕКТ)). Сила тока определяется разностью фаз волновых функций куперовских пар по обе стороны зазора. Если такой образец поместить в магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен направлению протекания тока, то изменяя индукцию можно варьировать величину тока от нуля до максимального значения.

Эффект Джозефсона используется в микроэлектронике для создания генераторов и детекторов излучения СВЧ-диапазона, а свойство переключения подобных структур из проводящего в непроводящее состояние (это происходит, если ток превышает критическое значение и сверхпроводимость исчезает), позволяет применять устройства, работающие на этом эффекте, в качестве быстродействующих логических элементов ЭВМ. На его основе создан сверхпроводящий квантовый интерферометр (сквид(см. СКВИД)), с помощью которого уточнены значения ряда фундаментальных физических постоянных. Джозефсона эффект используется в криогенных приборах

[по имени англ. физика Б. Джозефсона (В. Josephson; p. 1940)] - протекание сверхпроводящего тока через тонкий (~10^-9 м) слой изолятора, разделяющий два сверхпроводника (т. н. контакт Джозефсона). Если сила тока I через контакт не превышает критич. значения Iк, то падение напряжения на контакте отсутствует (т. н. стационарный Д. э.). При I > Iк на контакте возникает падение напряжения V и наблюдается электромагн. излучение частоты v = 2eV/h (в - элементарный электрический заряд, h - Планка постоянная). Д. э. используется в сверхпроводящих интерферометрах.

протекание сверхпроводящего тока через тонкий ( ~ 10 А) слой диэлектрика, разделяющий два сверхпроводника (т.н. контакт Джозефсона). Эффект предсказан Б. Джозефсопом (1962). На его основе создан сверхпроводящий квантовый интерферометр (сквид), с помощью к-рого уточнены значения ряда фундам. физ. постоянных. Д. э. используется в криогенных приборах; контакты Джозефсона применяются также в качестве быстродействующих логич. элементов ЭВМ.