Сверхпроводимость. Эффект Джозефсона.
Сверхпроводимость и эффект Джозефсона — это фундаментальные квантовые явления, наблюдаемые в некоторых материалах при очень низких температурах.
1. Сверхпроводимость
Сверхпроводимость
— это свойство некоторых материалов
обладать строго нулевым электрическим
сопротивлением при охлаждении ниже
определённой критической температуры
(
).
Основные свойства:
Нулевое сопротивление: Главное свойство, означающее, что электрический ток может протекать в замкнутом сверхпроводящем контуре бесконечно долго без потерь энергии.
Переход материала в сверхпроводящее состояние происходит скачком при
.
Идеальный диамагнетизм (Эффект Мейснера): Сверхпроводник полностью выталкивает из своего объёма магнитное поле ( ) при переходе в сверхпроводящее состояние (
).
Эффект Мейснера является термодинамически обратимым процессом и не зависит от того, сначала было охлаждение, а затем включение поля, или наоборот.
Критические параметры: Сверхпроводимость разрушается, если:
Температура превышает критическую температуру ( ).
Внешнее магнитное поле
превышает критическое поле (
).Ток превышает критический ток (
).
Микроскопическая теория (Теория БКШ)
Сверхпроводимость объясняется квантовым явлением, известным как образование куперовских пар:
Куперовские пары: При очень низких температурах два электрона с противоположными спинами и импульсами объединяются в связанную пару через взаимодействие с колебаниями кристаллической решетки (фононами).
Конденсация: Все куперовские пары конденсируются в единое квантовое состояние (сверхпроводящий конденсат).
Сверхток: Движение сверхтока представляет собой коллективное, упорядоченное движение этого конденсата, которое не сопровождается рассеянием на решетке или примесях, так как для разрушения пары требуется конечная энергия.
2. Эффект Джозефсона
Эффект Джозефсона — это явление протекания сверхтока через очень тонкий слой диэлектрика (или нормального металла), который разделяет два сверхпроводника. Такая структура называется джозефсоновским переходом.
Стационарный эффект Джозефсона
Это протекание постоянного
сверхтока (
)
через переход без приложения внешнего
напряжения (
).
Где:
— критический ток перехода, максимальный
сверхток, который может пройти.
— разность фаз волновых функций
куперовских пар в двух сверхпроводниках.
Эффект является чисто квантовым и связан с туннелированием куперовских пар через диэлектрический барьер без разрушения их связи.
Нестационарный эффект Джозефсона
Это возникновение
переменного тока высокой частоты
(
)
при приложении к переходу постоянного
напряжения (
).
Где:
— заряд куперовской пары.
— постоянная Планка.
При постоянном напряжении в переходе генерируется высокочастотное электромагнитное излучение с частотой , которая прямо пропорциональна напряжению.
Применение
Джозефсоновские переходы являются основой для:
СКВИД-датчиков (SQUID): Сверхпроводящие квантовые интерференционные устройства, самые чувствительные в мире магнитометры, используемые в медицине (МРТ, МЭГ) и геофизике.
Квантовой электроники: Высокоскоростные переключатели для суперкомпьютеров и элементная база для создания кубитов в квантовых компьютерах.
Эталона напряжения: Формула нестационарного эффекта позволяет связать напряжение с частотой и фундаментальными константами, что используется для создания междунар