Эффект Джозефсона

За последние десятилетия для построения стандартов стали использовать новые физические эффекты, довольно изученные физиками: квантовый эффект Джозефсона, квантовый эффект Холла, эффект Мейснера, эффект Мессбауэра и др. в особенности принципиальное значение в развитии эталонной измерительной техники, а в дальнейшем и рабочих средств измерений имеют квантовые эффекты Джозефсона и Холла.

В 1932г Мейснер и Хольм в итоге исследования проводимости узкого изолирующего слоя меж 2-мя сверхпроводниками установили наличие туннельного эффекта (исчезает сопротивление узкого изолирующего слоя). В 1962г Брайан Джозефсон (по поручению Андерсена) на теоретическом уровне изучил явление туннелирования в сверхпроводниках, при всем этом получил главные формулы и предсказал ряд эффектов. При описании данных явлений употребляется понятие «электронной жидкости». Это квантовое понятие, амплитуда волны возмущения в таковой воды находится в зависимости от плотности электронов. Наличие разности фаз волн приводит к их интерференции. Если фазы волн равны, то их амплитуды суммируются, а если фазы сдвинуты, то суммарная амплитуда миниатюризируется.

При стационарном эффекте Джозефсона в цепи, состоящей из 2-ух сверхпроводников, разбитых узким окисным слоем (), проходит малый неизменный ток без утраты напряжения на туннельном переходе. Величина тока находится в зависимости от разности фаз волн, образованных синхронизированными электрическими куперовскими парами, т.е. от соотношения плотностей носителей зарядов на границах перехода. Уравнение для тока в цепи перехода при стационарном эффекте имеет вид:

. (6.6)

Наложение основной и просочившейся волн определяет значение суммарной амплитуды плотности носителей зарядов в контактирующих сверхпроводниках. При всем этом разность потенциалов на туннельном переходе равна нулю. При прямом нестационарном эффекте в итоге приложения к туннельному переходу неизменного напряжения (больше определенного уровня) в переходе происходит генерация высокочастотных колебаний.

При оборотном нестационарном эффекте под действием частотного электрического поля на переходе генерируется неизменная ЭДС, не зависящая от воздействия наружных дестабилизирующих причин.

Для тока в цепи перехода при нестационарном эффекте справедливо последующее уравнение:

. (6.7)

Выполнив не сложные преобразования можно получить последующие математические соотношения:

(6.8)

, , (6.9)

, (6.10)

где — квант энергии; — целое число; D – неизменная Джозефсона.

С повышением частоты наружного СВЧ излучения напряжение на туннельном переходе будет изменяться ступенчато.

Рис. 6.5 Зависимость напряжения на джозефсоновском переходе от частоты наружного поля.

Величина генерируемого при всем этом неизменного напряжения может составлять всего несколько милливольт, но при поочередном соединении огромного числа переходов уровень генерируемого напряжения может измеряться уже в вольтах. Устройства данного типа употребляются, к примеру, для сотворения образца ЭДС. Выходное напряжение такового образца не находится в зависимости от наружных дестабилизирующих причин и определяется уравнением:

, (6.11)

где N – число переходов, включенных поочередно.

Стационарный эффект Джозефсона положен в базу сотворения высокочувствительного сверхпроводящего квантового интерферометрического датчика, так именуемого СКВИДа.

Рис. 6.6 Структурная схема первичного преобразователя СКВИД.

Под действием измеряемого магнитного поля происходит изменение суммарного тока через два параллельно включенных джозефсоновских перехода, реализующих стационарный эффект. Величина дополнительного сдвига фаз меж токами в ветвях контура функционально находится в зависимости от измеряемого магнитного поля.

(6.12)

, (6.13)

, (6.14)

где — квант магнитного поля.

Устройства данного типа употребляются для регистрации сверхслабых магнитных полей (в 10-ки раз слабее магнитного поля Земли).

Уравнение ВАХ в облегченном виде можно представить зависимостью вида:

. (6.15)

Ток в измерительной цепи находится в границах 10 мкА, а напряжение — в границах 100мкВ (R – сопротивление контакта).

Применение высокотемпературных сверхпроводников в измерительных устройствах позволит кардинально повысить метрологические свойства измерительных устройств и отрешиться от необходимости создавать повторяющуюся поверку средств измерений.

Эффект Джозефсона отыскал применение для сотворения переключающих и запоминающих устройств.

Рис. 6.7 Структурная схема переключающего устройства основанного на реализации эффекта Джозефсона.

При протекании в цепи тока создается магнитное поле, которое управляет процессом туннелирования зарядов через джозефсоновский переход. К плюсам устройств, основанным на использовании эффекта Джозефсона можно отнести сверхвысокое быстродействие, малый уровень рассеиваемой энергии, энергонезависимость хранения инфы:

. (6.16)