Библиотека по физике Библиотека по физике
Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

Эффект Джозефсона

Разберем еще одно сверхпроводящее квантовое явление, которое послужило основой для создания целого ряда уникальных измерительных приборов. Речь пойдет об эффекте Джозефсона, открытом сравнительно недавно, в 1962 г., но за который Джозефсону, английскому ученому, теоретически предсказавшему этот эффект, уже присуждена Нобелевская премия.

Рис. 2. 1 - металлические пленки; 2 - слой диэлектрика; 3 - подложка
Рис. 2. 1 - металлические пленки; 2 - слой диэлектрика; 3 - подложка

Представьте себе, что на стеклянную пластинку (как говорят, на подложку) нанесли пленку сверхпроводника (обычно ее получают, напыляя металл в вакууме). Затем ее окислили, создав на поверхности слой диэлектрика (окисла) толщиной всего в несколько ангстремов, и снова покрыли пленкой сверхпроводника. В результате получился так называемый сэндвич (в буквальном смысле этим английским словом называют два куска хлеба с сыром или другим чем-нибудь вкусным между ними). В сэндвичах и наблюдается эффект Джозефсона (для удобства измерений обычно сэндвич делают в виде креста, как показано на рис. 2).

Рис. 3
Рис. 3

Давайте вначале обсудим случай; когда металлические пленки находятся в нормальном (не сверхпроводящем) состоянии. Могут ли электроны из одной металлической пленки (рис. 3, а) переходить в другую? Казалось бы, нет - им мешает слой диэлектрика. Для того чтобы выйти из металла, электрон должен обладать энергией большей, чем работа выхода, а при низких температурах электронов с такой энергией практически нет. На рис. 3, б приведен график зависимости потенциальной энергии электрона от координаты х (ось X перпендикулярна к плоскости сэндвича). В металле электрон движется свободно, и его потенциальная энергия равна нулю. Для выхода в диэлектрик надо совершить работу выхода Wв, которая больше, чем кинетическая, а значит, и полная, энергия электрона Wэ*. Поэтому говорят, что электроны в металлических пленках разделяет потенциальный барьер, высота которого равна Wв-Wэ.

* (Аналогично, для того чтобы вырвать молекулу из жидкости, надо, как известно, совершить работу испарения.)

Если бы электроны подчинялись законам классической механики, то такой барьер для них был бы непреодолим. Но электроны - микрочастицы, а в микромире действуют особые законы, которые позволяют многое, недоступное большим телам. Человеку, например, с такой энергией на горку не взобраться, а вот электрон может пройти сквозь нее! Он как бы роет под горкой туннель и проникает в нее, даже если его энергии не хватает, чтобы взобраться на горку. Конечно, не следует все это понимать буквально. Туннельный эффект (так называют это явление) объясняется волновыми свойствами микрочастиц (их "размазыванием" в пространстве), и по-настоящему в нем можно разобраться, только серьезно изучив квантовую механику. Но факт остается фактом: с некоторой вероятностью электроны могут проникать через диэлектрик из одной металлической пленки в другую. Эта вероятность тем больше, чем меньше высота Wв-Wэ барьера и чем меньше его ширина а.

Итак, тонкая пленка диэлектрика оказывается проницаемой для электронов - через нее может течь так называемый туннельный ток. Однако суммарный туннельный ток равен нулю: сколько электронов переходит из нижней металлической пленки в верхнюю, столько же в среднем переходит, наоборот, из верхней пленки в нижнюю.

Рис. 4
Рис. 4

Как же сделать туннельный ток отличным от нуля? Для этого надо нарушить симметрию, например присоединить металлические пленки к источнику тока с напряжением U (рис. 4, а). Тогда пленки будут играть роль обкладок конденсатора, а в слое диэлектрика возникнет электрическое поле с напряженностью E = U/a. Работа по перемещению заряда е на расстоянием вдоль направления поля равна A = Fx = eEx = eUx/a, и поэтому график потенциальной энергии электрона приобретает вид, показанный на рис. 4, б. Как видно, электронам из верхней пленки (х>а) преодолеть барьер легче, чем электронам из нижней пленки (х<0), которым надо подскочить на более высокий уровень. В результате даже при малых напряжениях источника возникает туннельный ток.

Туннельные контакты из нормальных металлов используются в некоторых приборах, но в этом разделе речь идет о практическом применении сверхпроводимости. Поэтому сделаем следующий шаг и представим себе, что металлические пленки, разделенные тонким слоем диэлектрика, находятся в сверхпроводящем состоянии. Как будет вести себя туннельный сверхпроводящий контакт? Оказывается, сверхпроводимость приводит к совсем неожиданным результатам.

Как уже говорилось, электроны из верхней пленки имеют избыточную энергию eU по сравнению с электронами нижней пленки. Оказавшись в нижней пленке, они должны сбросить лишнюю энергию и перейти в равновесное состояние. Если бы пленка находилась в нормальном состоянии, то осуществить это было бы легко: достаточно не-скольких столкновений с кристаллической решеткой металла и лишняя энергия электронов в конечном счете переходит в тепло. Но пленка находится в сверхпроводящем состоянии, и передать энергию решетке электроны не в состоянии! Вот и остается только электронам излучить эту энергию в виде кванта электромагнитного излучения с энергией ћω. Поэтому частота излучения со связана с приложенным напряжением U простым соотношением

ћω = 2eU.

Вы заметили, что справа написан удвоенный заряд электрона - надо помнить, что туннелируют не отдельные электроны, а сверхпроводящие пары.

Вот какой удивительный эффект был предсказан Джозефсоном: постоянное напряжение, приложенное к сверхпроводящему туннельному контакту (его называют также джозефсоновским элементом), приводит к генерации электромагнитного излучения. Экспериментально этот эффект впервые был обнаружен в Харьковском физико-техническом институте низких температур учеными И. М. Дмитриенко, В. М. Свисту новым и И. К. Янеоном в 1965 г.

Первое, что приходит в голову, если говорить о практическом использовании эффектов Джозефсона,- это создание генератора электромагнитного излучения. Но в действительности все не так просто: излучение довольно трудно вывести из узкой щели между сверхпроводящими пленками, где оно генерируется (именно поэтому экспериментальное обнаружение эффекта Джозефсона было непростой задачей), да и мощность излучения очень мала. Поэтому сейчас джозефсоновские элементы используются в основном в качестве детекторов электромагнитного излучения, но зато самых чувствительных в некоторых диапазонах частот.

Такое применение основано на явлении резонанса между внешними электромагнитными колебаниями (в регистрируемой волне) и собственными колебаниями, возникающими в джозефсоновском элементе при приложении к нему постоянного напряжения. Собственно говоря, резонанс лежит в основе работы многих приемников: волну удается "поймать", когда ее частота совпадает с частотой приемного колебательного контура. В качестве приемного контура удобно использовать джозефсоновский элемент: частоту его собственных колебаний легко подстраивать (изменяя напряжение), а острота резонанса, определяющая чувствительность приемника, оказывается очень высокой. По такому принципу уже созданы самые чувствительные приемники электромагнитного излучения, которые используются для исследования излучения Вселенной.

предыдущая главасодержаниеследующая глава




Пользовательского поиска




Пять неожиданных и грандиозных открытий физики

Мария Склодовская-Кюри - единственная в истории женщина, получившая две Нобелевские премии

Нобелевская премия по физике — 2017 - за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн

Виталий Гинзбург, лауреат Нобелевской премии по физике 2003 г.

Физики превратили непроводящий полимер в полупроводник силой звука

Десять невозможных вещей, ставших возможными благодаря современной физике

Физики нашли возможную брешь в Стандартной модели

Ученые объяснили звуки метеоров

Теория эмерджентности: что такое реальность?

Ученые математически доказали недостижимость абсолютного нуля температуры

Четыре крупнейших ошибки в научной жизни Эйнштейна






© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'PhysicLib.ru: Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru