Квантовые интерферометры (сквиды).

В строгой теории эффекта Джозефсона показывается, что сила тока, идущего через контакт, определяется формулой

I=I₀sinφ (10)

где I₀– максимальный ток, который может протекать через контакт при отсутствии разности потенциалов между его сторонами; φ - изменение фазы Ψ-функции сверхпроводящих электронных пар на контакте. Если сила тока в контуре контролируется сторонней ЭДС, то φ автоматически подстраивается под силу тока I, а I₀ является в формуле (10)постоянной величиной, определяемой свойствами контакта.

Рассмотрим сверхпроводящее кольцо с двумя контактами одинаковымиДжозефсона (слабые связи), включенное в цепь, по которой протекает ток (рис. 7, а).

Рисунок 7. Квантовый интерферометр (СКВИД)

Общий токI протекает через слабые связи без приложения внешнего напряжения на них при условии I < 2I₀, где I₀-максимальный ток, который может пройти через каждый контакт в отсутствие внешнего напряжения. Разность фаз, возникающая на контакте, обозначена какφ. Слабые связи предполагаются идентичными. Угол φ связан с током

I соотношением

I=2I₀sinφ (11)

Если площадь, ограниченная внутренней поверхностью кольцевого контура, начинает пронизываться магнитным потоком Ф [см. рис. 1], то в контуре возникает индуцированный сверхпроводящий ток I_С, а на контактах-дополнительная разность фаз δ, имеющая разные знаки на контактах, потому что ток I_С в одном контакте совпадает по направлению с током I/2 через контакт, а вдругом контакте имеет противоположное направление (рис. 7,б).Дополнительная разность фаз δ определяется следующими соотношениями, записанными для каждого из контактов:

(12)

Волновые функции (Ψ–функции) электронных сверхпроводящих пар (куперовских пар) теперь при соединении интерферируют с разностью фаз 2δ. Полный ток I, протекающий через систему, с

учетом интерференции равен

(13)

Условие фазовой когерентности сверхпроводящего тока в кольце с учетом разности фраз 2δ, возникающей на контактах, имеет вид

(14)

где квант магнитного потока где квант магнитного потока Ф₀=πħ/е = 2,07•10^–15Вб.

Формула (14)учитывает интерференцию не посредством суперпозиции волн, а непосредственно в виде сложения интенсивностей (т. е. сил токов) с учетом соответствующих разностей фаз. Поэтому I в этой формуле должна быть положительной и, поскольку ограничений на разность фаз δ никаких

нет, вместо cosδ в ней надо писать модуль, т.е. |cosδ|. Учитывая, что

окончательно получаем из (13) для тока интерферометра

(15)

Из этой формулы видно, что при изменении, например, увеличении магнитного потока |Ф| через кольцо квантового интерферометра ток, протекающий через него, испытывает колебания с периодом кванта магнитного потока. Это объясняется тем, что в интерферометре есть слабые связи (контакты Джозефсона).

Эти колебания определяются интерференцией волновых функций – Ψ функций куперовских пар, т.е. макроскопическое проявление квантовых эффектов.

Явление аналогичное рассматриваемой в курсе физики интерференции оптических волн, при которойна экране наблюдались максимумы и минимумы. Их чередование определялось изменением разности фаз оптических волн, которая менялась из-за изменения оптической разности хода волн при изменении точки наблюдения интерференции.

В квантовоминтерферометре разность фаз между Ψ функциямикуперовских пар в двух контактах Джозефсона меняется путем изменения магнитного потока через кольцо СКВИДа.

ПРИМЕНЕНИЕ СКВИДов

СКВИДы очень чувствительны к изменению магнитного потока. Их чувствительность составляет доли кванта потока (Ф₀=πħ/е = 2,07•10^–15Вб).

Это позволяет использоватьсквидыдля чрезвычайно

точного измерения слабых магнитных полей (до 10~18 Тл), малых токов(до 10^–10А), малых напряжений (до 10^–15 В). Слабосвязанные сверхпроводники используются также в качестве быстродействующих элементов логических устройств ЭВМ, детекторов СВЧ, в усилителях и других электронных приборах.

Используя СКВИД создан стандарт напряжения (Вольта).

Высокотемпературная сверхпроводимость.

Весной 1986 г. Г. Беднорз иА. Мюллер сообщили об открытии ими сверхпроводимости в соединении оксида лантана, бария и меди с критической температурой примерно 33 К.

Наиболее важным в этом открытии было не повышение критической температуры примерно на 10 К после 13 лет безуспешных попыток повысить ее хотя бы на 1 К, а открытие новых сверхпроводниковых материалов, относящихся к керамикам. Исследование керамических материалов

позволило Р.Чу уже через полгода открыть сверхпроводимость оксида иттрия, бария и меди с критической температурой выше 90 К. Это означало возможность крупномасштабных технологических применений сверхпроводимости выше точки кипения

азота, когда эти применения становятся экономически оправданными.

Осенью 1987 г. Беднорзу и Мюллеру за открытие высокотемпературной сверхпроводимости была присуждена Нобелевская премия по физике.

Исследование десятков тысяч соединений на основе меди позволило найти новые высокотемпературные сверхпроводящие материалы и поднять критическую температуру до 125 К. Во всех полученных сверхпроводниках носителями заряда являются дырки. Интенсивныетеоретические исследования не позволили получить какие-либо надежные результаты по выяснению механизма наблюдаемой высокотемпературной сверхпроводимости.

Принципиальное событие произошло в январе 1989 г., когдагруппа японских ученых из университета Токио объявила об открытии нового класса сверхпроводников с критической температурой 20 К. В отличие от известных до этого керамических сверхпроводников на основе меди, открытых Беднорзом и Мюллером, носителями заряда в которых являются дырки, у нового класса сверхпроводников носителями являются электроны. Важность открытия этого класса сверхпроводников связывается с надеждами построить правильную теоретическую модель для сверхпроводников на основе меди и найти сверхпроводящие материалы с критической температурой выше 125 К.