34.2. Ефект Джозефсона

Тонкий шар діелектрика (звичайно плівка окису металу товщиною 1...2 нм), що розділяє два провідники, називається тунельним контактом. В 1962 р. Б. Джозефсон теоретично передбачив можливість протікання надпровідного струму через тунельний контакт.

Схема для спостереження ефекту Джозефсона показана на рис. 34.4. Напругу, що подається на тунельний контакт, можна регулювати за допомогою змінного опору R. Вольтметр V показує спад напруги на тунельному контакті.

Розрізняють стаціонарний і нестаціонарний ефекти Джозефсона. В стаціонарному ефекті при переході з одного надпровідника в другий зміщення рівнів енергії куперівських пар не відбувається – рис.34.5, а. В нестаціонарному ефекті рівні енергії зміщуються на деяку величину 2eU, значення якої менше ширини енергетичної щілини . Якщо ж 2eU>, то надпровідність одного з надпровідників зникає і через контакт протікає нормальний струм, обумовлений електронами.

Рис. 34.4

Стаціонарний ефект полягає в тому, що коли струм через тунельний контакт не перевищує деякого критичного значення I<I_кр, то спад напруги на контакті дорівнює нулю. Механізм цього явища полягає в наступному. Куперівська пара з одного надпровідника може тунелювати через шар діелектрика в інший надпровідник. Оскільки куперівські пари є бозонами, то такий процес можливий навіть тоді, коли відповідний рівень енергії другого надпровідника зайнятий – рис. 34.5, а..

Рис. 34.5

Процес тунелювання куперівської пари протікає без її руйнування й надпровідність тунельного контакту зберігається, тобто його опір R=0, і, отже, спадання напруги на контакті U = IR = = I 0 = 0.

Нестаціонарний ефект Джозефсона полягає в тому, що коли через тунельний контакт пропустити електричний струм, більший критичного, то на контакті виникає спад напруги й контакт випромінює електромагнітні хвилі. При тунелюванні через контакт куперівська пара з нижнього заповненого рівня одного надпровідника попадає на деякий віртуальний (уявлюваний) рівень другого надпровідника, який знаходиться в межах енергетичної щілини . Отже, така пара має надлишок енергії в порівнянні з іншими куперівськими парами. Єдина можливість позбутися від надлишку енергії полягає у випромінюванні кванта електромагнітного випромінювання з енергією h = 2eU – рис.34.5 б.. Таким чином, контакт випромінює електромагнітні хвилі з частотою

.

(34.1)

Вимірявши експериментально частоту електромагнітного випромінювання, із співвідношення (34.1) можна знайти відношення двох фундаментальних констант з точністю, що значно перевершує точність вимірювання іншими методами.

Надпровідне кільце, розділене двома тонкими шарами з нормального металу, використовується як пристрій (його називають сквідом) для вимірювання слабких магнітних полів (до 10^–18 Тл), малих струмів (до 10^–10 A) і напруг (до 10^–15 В). Висока чутливість таких приладів пояснюється тим, що критичний струм періодично залежить від зовнішнього магнітного поля (з періодом, рівним кванту потоку Ф₀).

Ефект Джозефсона лежить в основі детекторів надвисоких частот, швидкодіючих логічних пристроїв ЕОМ тощо.