Efecto Josephson

El efecto Josephson es el fenómeno de la corriente superconductora que fluye a través de una fina capa dieléctrica que separa dos superconductores . Tal corriente se llama corriente de Josephson , y tal conexión de superconductores se llama contacto de Josephson . El trabajo original de Josephson supuso que el grosor de la capa dieléctrica era mucho menor que la longitud de coherencia superconductora , pero estudios posteriores demostraron que el efecto persistía en grosores mucho mayores.

Historia

El físico británico B. Josephson en 1962, basándose en la teoría de la superconductividad de Bardeen-Cooper-Schrieffer [1] , predijo efectos estacionarios y no estacionarios en el contacto superconductor-aislante-superconductor. El efecto estacionario fue confirmado experimentalmente por los físicos estadounidenses F. Anderson y J. Rowell en 1963 .

En 1932, los físicos alemanes W. Meissner y R. Holm demostraron [2] que la resistencia de un pequeño contacto entre dos metales desaparece cuando ambos metales pasan al estado superconductor. Así, uno de los efectos de Josephson se observó treinta años antes de su predicción.

Descripción del efecto

Hay efectos Josephson estacionarios y no estacionarios .

Efecto estacionario

Cuando pasa una corriente a través del contacto, cuyo valor no excede el valor crítico, no hay caída de voltaje a través del contacto (a pesar de la presencia de una capa dieléctrica). Este efecto es causado por el hecho de que los electrones de conducción atraviesan el dieléctrico sin resistencia debido al efecto túnel . La no trivialidad del efecto es que la corriente superconductora es transportada por pares de electrones correlacionados (pares de Cooper ) y, a primera vista, debería ser proporcional al cuadrado de la transparencia de túnel del contacto y, debido a la extrema pequeñez de este último, prácticamente inobservable. De hecho, la tunelización de un par de Cooper es un efecto coherente específico , cuya probabilidad es del orden de la probabilidad de tunelización de un solo electrón, y por lo tanto el valor máximo de la corriente de Josephson puede alcanzar el valor de la tunelización habitual. corriente a través del contacto a un voltaje del orden de la brecha en el espectro de energía del superconductor. De acuerdo con los conceptos modernos, el mecanismo microscópico de tunelización de los pares de Cooper es el reflejo de Andreev de cuasipartículas localizadas en un pozo de potencial en la región de contacto.

La densidad de corriente en mecánica cuántica viene dada por la fórmula , donde es la función de onda con módulo y fase . densidad de corriente Todos los electrones en un superconductor tienen la misma fase. Cuando se forma un contacto de túnel a partir de dos superconductores diferentes, una corriente (corriente de Josephson) fluirá a través de dicho contacto sin ningún voltaje aplicado, según la diferencia de fase y la densidad [3] . $j$ $j={\frac {ie\hbar }{2m))(\psi \nabla \psi ^{*}-\psi ^{*}\nabla \psi )$ ${\ estilo de visualización \ psi = | \ psi | e ^ {i \ varphi}}$ ${\ estilo de visualización | \ psi |}$ $\varphi$ $j\sim\nabla\psi$ ${\ estilo de visualización \ vartheta = \ varphi _ {1} - \ varphi _ {2}}$ $j=j_{0}\sin\vartheta$

Efecto Josephson estacionario en microcontactos

Un ejemplo de uniones de Josephson entre superconductores son los contactos puntuales balísticos, cuyo diámetro característico d es mucho más pequeño que el camino libre medio de los portadores de carga . En tales acoplamientos de Josephson, las relaciones corriente-fase y la magnitud de la corriente crítica difieren significativamente de las expresiones correspondientes para un contacto de túnel. A temperaturas y ( es la temperatura crítica del superconductor ), la corriente se expresa mediante la relación $yo$ ${\ estilo de visualización I (\ varphi)}$ $I_{\text{c}}(T)$ ${\ estilo de visualización l \ gg d}$ $0\leqslant T\leqslant T_{\text{c}}$ $T_{\text{c))$

I(\varphi )={\frac {\pi \Delta (T)}{eR_{\text{Sh))))\sin(\varphi /2)\operatorname {th} \left[{\ fracción {\Delta (T)\cos(\varphi /2)}{2T}}\right],

donde está la resistencia de contacto en el estado normal (no superconductor) ( resistencia de Sharvin ), es el ancho del espacio del superconductor a una temperatura dada. En la corriente crítica de un agujero limpio [ aclarar ] el doble de la corriente crítica con la misma resistencia normal, y la dependencia de la corriente en la fase $R_{\text{Sh))$ ${\ estilo de visualización \ Delta (T)}$ $T\a 0$

I(\varphi )={\frac {\pi \Delta (0)}{eR_{\text{Sh))))\sin(\varphi /2),\quad -\pi <\varphi < \Pi ,

sufre un salto en . [cuatro] ${\ estilo de visualización \ varphi = \ pm \ pi}$

Efecto no estacionario

Cuando pasa una corriente a través del contacto, cuyo valor excede el crítico, se produce una caída de voltaje en el contacto y el contacto comienza a irradiar ondas electromagnéticas . En este caso, la frecuencia de dicha radiación se define como , donde es la carga del electrón , es la constante de Planck . $tu$ $\nu=2eU/h$ $mi$ $h$

La aparición de la radiación se debe a que los electrones combinados en pares , creando una corriente superconductora, al pasar por un contacto, adquieren un exceso de energía en relación al estado fundamental del superconductor . La única manera de que un par de electrones regresen al estado fundamental es emitiendo un cuanto de energía electromagnética . ${\ estilo de visualización 2eU}$ ${\ estilo de visualización \ hbar \ omega = 2eU}$

Aplicando el efecto

Usando el efecto Josephson no estacionario, el voltaje se puede medir con una precisión muy alta.

El efecto Josephson se utiliza en interferómetros superconductores que contienen dos uniones Josephson paralelas. En este caso, las corrientes superconductoras que pasan por el contacto pueden interferir. Resulta que la corriente crítica para tal conexión depende en gran medida del campo magnético externo , lo que permite que el dispositivo se use para medir campos magnéticos con mucha precisión.

Si se mantiene un voltaje constante en la unión de Josephson, se producirán oscilaciones de alta frecuencia . Este efecto, llamado generación de Josephson , fue observado por primera vez por I. K. Yanson, V. M. Svistunov e I. M. Dmitrenko. Por supuesto, el proceso inverso, la absorción de Josephson , también es posible . Por lo tanto, la unión de Josephson se puede utilizar como generador de ondas electromagnéticas o como receptor (estos generadores y receptores pueden operar en rangos de frecuencia que son inalcanzables por otros métodos).

En una unión larga de Josephson (LJJ), un solitón (vórtice de Josephson) puede moverse a lo largo de la unión , transfiriendo un cuanto de flujo magnético . También hay estados multisolitones que llevan un número entero de cuantos de flujo. Sus movimientos están descritos por una ecuación seno-Gordon no lineal . Tal solitón de Josephson es similar a un solitón de Frenkel (se conserva el número de cuantos de flujo). Si la capa aislante no es homogénea, los solitones se "adherirán" a las faltas de homogeneidad y, para moverlos, será necesario aplicar un voltaje externo suficientemente grande. Por lo tanto, los solitones pueden acumularse y enviarse a lo largo de la transición: sería natural intentar usarlos para registrar y transmitir información en un sistema de una gran cantidad de DDC ( computadora cuántica ) interconectados.

A fines de la década de 1980, se creó en Japón un procesador experimental basado en el efecto Josephson. Aunque la ALU de 4 bits la hizo inaplicable en la práctica, este estudio científico fue un experimento serio que abre perspectivas para el futuro.

En 2014, los empleados del Instituto de Física Nuclear y la Facultad de Física de la Universidad Estatal de Moscú desarrollaron un nuevo microcircuito superconductor para computadoras basado en el efecto Josephson [5] .

Constante de Josephson

La constante de Josephson es el recíproco del cuanto de flujo magnético . Es igual a 483597.8484…⋅10 9 Hz/V [6] . ${\ estilo de visualización 2e/h}$

Importancia del descubrimiento del efecto Josephson en la historia de la ciencia

Por primera vez en la historia de la física se descubrió experimentalmente la relación entre el fenómeno del macromundo (corriente eléctrica) y la cantidad mecánica cuántica (fase de la función de onda) [7] .

Véase también

CALAMAR

Notas

↑ Josephson BD Posibles nuevos efectos en túneles superconductores // Physics Letters. - 1962. - vol. 1 , edición. 7 . - pág. 251-253 . - doi : 10.1016/0031-9163(62)91369-0 .
↑ R. Holm, W. Meissner. Messungen mit Hilfe von flussigem Helium. XIII (alemán) // Zeitschrift für Physik. - 1932. - Bd. 74 . - S. 715-735 . -doi : 10.1007/ BF01340420 .
↑ Superconductividad y superfluidez, 1978 , p. 36.
↑ I. O. Kulik, A. N. Omelyanchuk . Efecto Josephson en micropuentes superconductores: teoría microscópica // FNT, 1978, vol.4, no.3, pp.296-311.
↑ Aleksey Poniatov. Electrónica superconductora para superordenadores // Ciencia y vida . - 2015. - Nº 7 . - S. 49-63 .
↑ Constante de Josephson . NIST . Fecha de acceso: 16 de octubre de 2019. (indefinido)
↑ Superconductividad y superfluidez, 1978 , p. 37.

Literatura

Likharev KK, Ulrikh BT Sistemas con uniones Josephson: bases de la teoría. - M .: Editorial de la Universidad Estatal de Moscú, 1978. - 446 p.
Kresin VZ Superconductividad y superfluidez. — M .: Nauka, 1978. — 187 p.
Tilly D.R., Tilly J. Superfluidez y superconductividad. — M .: Mir, 1977. — 304 p.

Enlaces

Efecto Josephson - artículo de la Gran Enciclopedia Soviética .
Los científicos vieron por primera vez la colisión de "cristales de tiempo" // hi-tech.mail.ru, 18 de agosto de 2020