Простой эффект Джозефсона - реферат

Петрозаводский Муниципальный Институт

Реферат

Стационарный эффект Джозефсона:

физика и применение

дисциплина «Физика сверхпроводников»

Выполнил студент V курса

физико-технического факультета

Сержантов Д. Н.

Петрозаводск 2003
Сверхпроводимость - макроскопическое квантовое явление

При снижении температуры многие металлы и сплавы перебегают в сверхпроводящее состояние. Этот переход происходит при полностью определенной для каждого материала температуре Tc Простой эффект Джозефсона - реферат , именуемой критичной. Сверхпроводимость характеризуется безупречной электропроводностью (сопротивление электронному току равно нулю, если плотность тока меньше некой критичной величины jc ) и безупречным диамагнетизмом (индукция магнитного поля снутри сверхпроводника равна нулю, если ее значение снаружи меньше критичного Вс ).

В микроскопичной теории сверхпроводимости принципиальным моментом является разъяснение довольно сильного притяжения меж 2-мя электронами, возникающего Простой эффект Джозефсона - реферат при поляризации кристаллической решетки. Два электрона с обратными спинами и направлениями движения соединяются воединыжды в пару, именуемую куперовской (по имени южноамериканского ученого Л. Купера, в первый раз показавшего, что такие два электрона образуют связанное состояние). Эти пары владеют нулевым суммарным спином и потому являются бозе-частицами (другими Простой эффект Джозефсона - реферат словами частичками, подчиняющимися статистике Бозе-Эйнштейна). Такие частички владеют восхитительным свойством: если температура ниже Тс , они могут накапливаться на самом нижнем энергетическом уровне (в главном состоянии). Чем больше их там соберется, тем сложнее какой-нибудь частичке выйти из этого состояния. Для этого нужно преодолеть энергетический барьер величиной 2 (по Простой эффект Джозефсона - реферат на каждый электрон в паре). Все частички при всем этом описываются единой волновой функцией либо, другими словами, когерентны. Свойственное расстояние меж 2-мя электронами в куперовской паре, называемое длиной когерентности , различно для различных сверхпроводников и может принимать значения 10-7 -10-5 љсм.

Таким макаром, сверхпроводимость можно представить для себя так. При Т < Тс Простой эффект Джозефсона - реферат электронный ток переносится куперовскими парами, другими словами простыми носителями тока с зарядом 2e (e - заряд электрона). При всем этом какой-нибудь частичке совершенно не просто рассеяться на примесном атоме либо каком-либо другом недостатке кристаллической решетки металла, включая термические колебания ионов. Для этого ей необходимо преодолеть сопротивление всех других схожих Простой эффект Джозефсона - реферат частиц.

Потому что электронное сопротивление равно нулю, то возбужденный в сверхпроводящем кольце ток будет существовать нескончаемо длительно. Электронный ток в данном случае припоминает ток, создаваемый электроном на орбите в атоме Бора: это вроде бы очень большая боровская орбита. Незатухающий ток и создаваемое им магнитное поле (рис. 1 ) не могут иметь Простой эффект Джозефсона - реферат произвольную величину, они квантуются так, что магнитный поток, пронизывающий кольцо, воспринимает значения, кратные простому кванту потока

Вб (h - неизменная Планка).

Рис. 1. Незатухающий ток и создаваемое им магнитное поле не могут иметь произвольную величину, они квантуются так, что магнитный поток, пронизывающий кольцо, воспринимает значения, кратные простому кванту потока Вб (h - неизменная Планка Простой эффект Джозефсона - реферат).

В отличие от электронов в атомах и других наночастиц, поведение которых описывается квантовой теорией, сверхпроводимость - макроскопическое квантовое явление. Вправду, длина сверхпроводящей проволоки, по которой течет незатухающий ток, может достигать многих метров и даже км. При всем этом носители тока в ней описываются единой волновой функцией. Это не Простой эффект Джозефсона - реферат единственное макроскопическое квантовое явление. Другим примером может служить сверхтекучесть в водянистом гелии либо в веществе нейтронных звезд.

В 1962 году появилась статья [Josephson B.D.,1962] никому до того неведомого создателя Б. Джозефсона, в какой на теоретическом уровне предсказывалось существование 2-ух умопомрачительных эффектов: стационарного и нестационарного. Джозефсон на теоретическом уровне изучал Простой эффект Джозефсона - реферат туннелирование куперовских пар из 1-го сверхпроводника в другой через какой-нибудь барьер. До того как перебегать к первому эффекту Джозефсона, остановимся коротко на туннелировании электронов меж 2-мя частями металла, разбитыми узким слоем диэлектрика.

Туннельный эффект

Туннельный эффект - это обычная задачка квантовой механики. Частичка (к примеру, электрон в металле) подлетает к Простой эффект Джозефсона - реферат барьеру (к примеру, к слою диэлектрика), преодолеть который она по традиционным представлениям никак не может, потому что ее кинетическая энергия недостаточна, хотя в области за барьером она со собственной кинетической энергией полностью могла бы существовать. Напротив, согласно квантовой механике, прохождение барьера может быть. Частичка с некой вероятностью может вроде бы Простой эффект Джозефсона - реферат пройти по туннелю через традиционно нелегальную область, где ее возможная энергия вроде бы больше полной, другими словами традиционная кинетическая энергия вроде бы отрицательна. По сути исходя из убеждений квантовой механики для наночастицы (электрона) справедливо соотношение неопределенностей (x - координата частички, p - ее импульс). Когда малая неопределенность ее координаты Простой эффект Джозефсона - реферат в диэлектрике (d љ-љтолщина слоя диэлектрика) приводит к большой неопределенности ее импульса , а как следует, и кинетической энергии p 2 /(2m ) (m - масса частички), то закон сохранения энергии не нарушается. Опыт указывает, что вправду меж 2-мя металлическими обкладками, разбитыми узким слоем диэлектрика (туннельный переход), может протекать электронный ток тем Простой эффект Джозефсона - реферат больший, чем тоньше диэлектрический слой.

Стационарный эффект Джозефсона

Джозефсон рассматривал личный случай туннельного эффекта - туннелирование куперовских пар - и предсказал существование 2-ух эффектов. 1-ый из их заключается в том, что через туннельный переход с узким слоем диэлектрика, когда его толщина меньше либо порядка длины когерентности ( ), может быть протекание сверхпроводящего тока, другими Простой эффект Джозефсона - реферат словами тока без сопротивления. Предсказывалось, что критичное значение этого тока будет своеобразно зависеть от наружного магнитного поля. Если ток через таковой переход станет больше критичного, то переход будет источником частотного электрического излучения. Это нестационарный эффект Джозефсона, который в данной работе не рассматривается..

Пригодилось незначительно времени, чтоб найти эти эффекты Простой эффект Джозефсона - реферат экспериментально. Более того, скоро стало ясно, что эффекты Джозефсона присущи не только лишь туннельным переходам, да и более широкому классу объектов - сверхпроводящим слабеньким связям, другими словами участкам сверхпроводящей цепи, в каких критичный ток значительно подавлен, а размер участка порядка длины когерентности .

В базе эффектов Джозефсона лежат квантовые характеристики сверхпроводящего состояния Простой эффект Джозефсона - реферат (см. выше). Вправду, сверхпроводящее состояние характеризуется когерентностью куперовских пар: эти пары электронов находятся на одном квантовом уровне и описываются общей для всех пар волновой функцией, ее амплитудой и фазой. Они когерентны как частички света - фотоны в излучении лазера, которое также характеризуется амплитудой и фазой электрической волны.

Представим сейчас для себя Простой эффект Джозефсона - реферат два мощных кусочка 1-го и такого же сверхпроводника, вполне изолированных друг от друга. Потому что оба они находятся в сверхпроводящем состоянии, любой из их будет характеризоваться собственной волновой функцией. Так как материалы и температуры схожи, модули обеих волновых функций должны совпадать, а фазы произвольны. Но, если установить меж ними Простой эффект Джозефсона - реферат хотя бы слабенький контакт, к примеру туннельный, куперовские пары будут просачиваться из 1-го кусочка в другой и установится фазовая когерентность. Возникнет единая волновая функция всего сверхпроводника, которую можно рассматривать как итог интерференции волновых функций 2-ух половинок. Ниже будет показано, что сверхпроводники со слабенькими связями дают уникальную возможность наблюдения фазы Простой эффект Джозефсона - реферат волновой функции в макроскопическом масштабе аналогично проявлению фазы электрической волны в явлениях интерференции в оптике.

Следует увидеть, что слабенькая связь меж 2-мя сверхпроводниками - это просто удачный объект для обнаружения интерференционных эффектов. Но такие эффекты были известны сравнимо издавна. Один из ярчайших примеров - квантование магнитного потока и тока в сверхпроводящем Простой эффект Джозефсона - реферат кольце. Вправду, сверхпроводящий ток может принимать только такие значения, при которых на длине кольца может уложиться целое число длин волн волновой функции сверхпроводящих электронов, другими словами при обходе по контуру кольца волновая функция в каждой точке попадает в фазу сама с собой. Снова видна полная аналогия с квантованием Простой эффект Джозефсона - реферат орбит в атоме Бора.

Как уже упоминалось, стационарный эффект Джозефсона заключается в том, что довольно слабенький ток I (наименьший критичного тока слабенькой связи Ic ) протекает без сопротивления, другими словами на ней не происходит падения напряжения. Джозефсон получил последующее выражение для тока I :

, (1)

где - разность фаз волновых функций Простой эффект Джозефсона - реферат по различные стороны слабенькой связи. В собственной работе [Josephson B.D.,1962] Джозефсон предсказал, что в области диэлектрической прослойки будут интерферировать когерентные токи, исходящие из обоих сверхпроводников, так же как световые волны от 2-ух когерентных источников. Потому результирующий ток оказывается пропорциональным синусу разности фаз.

Через год после пророчества Джозефсона этот эффект проверил прямым Простой эффект Джозефсона - реферат тестом Дж. Роуэлл. В туннельных опытах такового рода, когда диэлектрическая прослойка очень тонка, основная трудность состоит в устранении контакта железных обкладок из-за изъянов диэлектрика. Нужно каким-то образом обосновать, что наблюдаемый ток не является следствием очевидных закороток, а вправду является туннельным током. Для этого Дж Простой эффект Джозефсона - реферат. Роуэлл расположил туннельный переход в магнитное поле, направленное повдоль плоскости барьера. Естественно, что магнитное поле не может оказывать влияние на закоротки и в данном случае ток фактически не поменялся бы. Но даже очень слабенькое магнитное поле оказывало влияние на ток, при этом совсем нетривиальным образом.

Дело в том, что магнитное поле изменяет Простой эффект Джозефсона - реферат фазу волновой функции сверхпроводящих электронов. Так как в этом, пожалуй, более ярко проявляется макроскопический квантовый нрав сверхпроводящего состояния и эти явления продолжают оставаться в центре внимания и в текущее время, разглядим их более тщательно.

Квантовая интерференция

Уже в первом опыте было найдено, что наибольший сверхпроводящий ток Ic в Простой эффект Джозефсона - реферат 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 обратные стороны в различных точках контакта, и результирующий Простой эффект Джозефсона - реферат критичный ток оказывается равным нулю. Этот график аналогичен зависимости интенсивности света на дисплее при дифракции на одиночной щели от расстояния до центральной точки и наглядно показывает волновые характеристики сверхпроводящих токов.

Рис. 2. Зависимость критичного тока Im (нормированного на критичный ток при отсутствии поля Ic ) джозефсоновского контакта от величины потока Простой эффект Джозефсона - реферат наружного магнитного поля

Чтоб рассмотрение этого явления стало более обычным, 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 поменять его, не переводя кольцо в обычное состояние, нереально. Но если кольцо Простой эффект Джозефсона - реферат содержит слабенькую связь, то магнитный поток может изменяться - кванты потока попадают в контур через это слабенькое место.

Поглядим, как при изменении наружного магнитного поля изменяется величина потока и тока I в кольце со слабенькой связью. Пусть поначалу наружное поле и ток в контуре равны нулю (рис. 3, а). Поток Простой эффект Джозефсона - реферат при всем этом тоже равен нулю. Увеличим наружное поле - по закону индукции Фарадея в контуре появится сверхпроводящий ток, своим магнитным полем по закону Ленца компенсирующий наружный поток. Так будет происходить, пока ток в контуре не станет равным критичному току контакта Ic (рис. 3, б ). Для простоты рассмотрения выберем площадь кольца таковой Простой эффект Джозефсона - реферат, чтоб при I = Ic наружное поле создавало поток , равный половине кванта потока: .

Рис. 3. Сверхпроводящий контур с джозефсоновским элементом во наружном магнитном поле

Рис. 4. Двухконтактный интерферометр. Схема (а) и зависимость критичного тока от величины магнитного потока (б )

Как ток станет больше Ic , сверхпроводимость в контакте нарушится и в Простой эффект Джозефсона - реферат контур войдет квант потока (рис. 3, в). При всем этом отношение скачком возрастет на единицу, а направление тока поменяется на обратное, хотя его величина остается прежней Ic . Вправду, если до вхождения кванта потока ток Ic вполне экранировал наружный поток , то после вхождения он должен усиливать наружный поток до значения . Таким макаром, контур перебежал Простой эффект Джозефсона - реферат в новое квантовое состояние.

При предстоящем увеличении наружного поля ток в кольце будет уменьшаться, а поток будет оставаться равным . Ток обратится в нуль, когда наружный поток станет равным (рис. 3, г), а потом ток потечет в оборотном направлении, отчасти экранируя наружный поток. При наружном потоке ток снова станет Простой эффект Джозефсона - реферат равным Ic , сверхпроводимость нарушится, войдет последующий квант потока и т.д. Ступенчатый нрав рассмотренных зависимостей позволяет ощутить отдельные кванты потока, а ведь данная величина очень мала, всего только порядка Вб.

В особенности ярко когерентные характеристики сверхпроводящего состояния появляются при включении в контур 2-ух джозефсоновских контактов (рис. 4, а). Полный ток I Простой эффект Джозефсона - реферат при всем этом определяется интерференцией токов, протекающих через контакты:

(2)

где и - скачки фаз волновых функций на переходах, а критичные токи обоих контактов для простоты взяты схожими и равными Ic . В итоге критичный ток Im временами находится в зависимости от наружного магнитного поля и обращается в нуль, когда поток Простой эффект Джозефсона - реферат равен полуцелому числу квантов (рис. 4, б ). Эта зависимость в точности соответствует оптическому аналогу - зависимости интенсивности света на дисплее от расстояния при дифракции на 2-ух щелях.

Применение

С 1911 по 1986 было изучено сильно много сверхпроводящих металлов и сплавов, но наивысшая измеренная температура перехода составляла 23,2 К. Для остывания до таковой температуры требовался Простой эффект Джозефсона - реферат дорогостоящий водянистый гелий (4 Не). Потому более удачные внедрения сверхпроводимости оставались на уровне лабораторных тестов, для которых не требуется огромных количеств водянистого гелия.

В конце 1986 К.Мюллер (Швейцария) и Й.Беднорц (Германия), работая в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе, нашли, что глиняний проводник, построенный из атомов лантана, бария, меди и кислорода Простой эффект Джозефсона - реферат, имеет температуру перехода в сверхпроводящее состояние, равную 35 К. Скоро исследовательские группы в различных странах мира сделали глиняние материалы с температурой перехода от 90 до 100 К, которые способны оставаться сверхпроводниками (2-го рода, см . выше ) в магнитных полях до 200 кГс.

Глиняние сверхпроводники очень перспективны в плане крупномасштабных применений, приемущественно по той причине Простой эффект Джозефсона - реферат, что их можно учить и использовать при охлаждении сравнимо дешевым водянистым азотом.

Лабораторные внедрения. Первым фабричным применением сверхпроводимости было создание сверхпроводящих магнитов с высочайшими критичными полями. Доступные сверхпроводящие магниты позволили получить к середине 1960-х годов магнитные поля выше 100 кГс даже в маленьких лабораториях. Ранее создание таких полей при помощи обыденных Простой эффект Джозефсона - реферат электромагнитов добивалось очень огромных количеств электроэнергии для поддержания электронного тока в обмотках и множества воды для их остывания.

Последующее практическое применение сверхпроводимости относится к технике чувствительных электрических устройств. Экспериментальные эталоны устройств с контактом Джозефсона могут обнаруживать напряжения порядка 10–15 Вт. Магнитометры, способные обнаруживать магнитные поля порядка 10–9 Гс, применяются при исследовании Простой эффект Джозефсона - реферат магнитных материалов, также в мед магнитокардиографах. Очень чувствительные сенсоры вариантов силы тяжести могут применяться в разных областях геофизики.

Техника сверхпроводимости и в особенности контакты Джозефсона оказывают все большее воздействие на метрологию. При помощи джозефсоновских контактов сотворен эталон 1 В (об этом ниже). Был разработан также первичный указатель температуры для Простой эффект Джозефсона - реферат криогенной области, в какой резкие переходы в неких субстанциях употребляются для получения реперных (неизменных) точек температуры. Новенькая техника употребляется в компараторах тока, для измерений радиочастотной мощности и коэффициента поглощения, также для измерений частоты. Она применяется также в базовых исследовательских работах, таких, как измерение дробных зарядов атомных частиц и проверка теории Простой эффект Джозефсона - реферат относительности.

Сверхпроводимость будет обширно употребляться в компьютерных разработках. Тут сверхпроводящие элементы могут обеспечивать очень малые времена переключения, жалкие утраты мощности при использовании тонкопленочных частей и огромные большие плотности монтажа схем. Разрабатываются бывалые эталоны тонкопленочных джозефсоновских контактов в схемах, содержащих сотки логических частей и частей памяти.

Сверхпроводниковый суперкомпьютер

Мысль использования Простой эффект Джозефсона - реферат джозефсоновских переходов в качестве элементной базы компов появилась уже достаточно издавна. И если задачка получения малых размеров переходов (плотность упаковки) и малого тепловыделения (в сверхпроводящем состоянии тепло вообщем не рассеивается) достаточно просто решается, то сверхвысокого быстродействия достигнуть длительно не удавалось.

Принципно новое решение этой препядствия было в первый Простой эффект Джозефсона - реферат раз предложено в группе доктора К.К. Лихарева в МГУ. Для обработки и запоминания инфы тут употребляется квант магнитного потока, другими словами нуль и единица - отсутствие либо наличие в джозефсоновской ячейке 1-го кванта потока. Логические элементы с джозефсоновскими переходами, в каких проводится квантование магнитного потока, именуются квантронами Простой эффект Джозефсона - реферат. Расчеты и опыты демонстрируют, что квантроны владеют очень высочайшим быстродействием, достигающим значений 1012 операций за секунду. Но они не подчиняются обычным правилам схемотехники и их следует использовать в схемах нового типа. Тут информация передается от 1-го элемента к другому при помощи кванта магнитного потока, потому неотклонимым условием является близкое размещение частей. Соответствующие Простой эффект Джозефсона - реферат расстояния, разделяющие при всем этом элементы, добиваются величин порядка 10-х толикой микрона. Такие схемы прибыльно использовать, к примеру, при разработке регистров сдвига - устройств с передачей инфы повдоль повторяющейся структуры частей логики, при этом информация сдвигается на единичный период при внедрении либо изъятии единичного кванта потока.

Установка на базе эффекта Джозефсона Простой эффект Джозефсона - реферат для проигрывания единицы напряжения неизменного тока

Во ВНИИФТРИ сотворена установка на базе матрицы джозефсоновских переходов для проигрывания единицы напряжения неизменного тока.

Установка создана для калибровки и поверки многоразрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) в интегральном выполнении, может также употребляться для калибровки и поверки высокоточных мер напряжения и цифровых Простой эффект Джозефсона - реферат вольтметров.

Главным элементом установки является матрица джозефсоновских переходов, сделанная в РТВ (Германия). Внедрение эффекта Джозефсона обеспечивает высшую точность проигрывания напряжения.

Установка состоит из криозонда с джозефсоновской матрицей, СВЧ генератора (длина волны ~ 4 мм) с системой фазовой автоподстройки частоты, рубидиевого эталона частоты, характериографа, транспортируемого гелиевого дюара.


Перечень литературы:

  1. http://phys.web.ru Простой эффект Джозефсона - реферат/db/msg.html?mid=1181649&uri=page1.html

(pdf-версия на http://www.issep.rssi.ru/sej_str/ST988.htm)

  1. http://www.issep.rssi.ru/pdf/0108_083.pdf
  2. http://www.extech.ru/src/src_rus/catalog/10/technol/tech11.htm


prostranstvennoe-bitie-prava.html
prostranstvennoe-raspolozhenie-i-cvetovaya-gamma.html
prostranstvennoe-stroenie-organicheskih-molekul.html