Tunelowanie Josephsona

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Złącze Josephsona

Tunelowanie Josephsonazjawisko fizyczne postulowane przez Briana Josephsona (Nagroda Nobla z fizyki w 1973 roku) w 1962 roku, a potwierdzone doświadczalnie w 1963. Efekt ten polega na tunelowaniu elektronów między dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik (tzw. złącze Josephsona). Nadprzewodniki rozdzielone są cienką warstwą wykonaną z dielektryka (izolatora) o grubości nanometrów.

Natężenie prądu płynącego przez złącze jest opisywane przez pierwsze prawo Josephsona:

I = I_{1} \sin \varphi

gdzie:

φ – różnica faz funkcji falowych par Coopera po przeciwnych stronach złącza,
I1 – parametr stały dla danego złącza zależny od temperatury złącza i bardzo silnie zależny od zewnętrznego pola magnetycznego.

Jeżeli dodatkowo na złączu przyłoży się napięcie U(t), faza φ będzie się zmieniać zgodnie z równaniem (drugie prawo Josephsona):

\frac{\partial \varphi}{\partial t} = \frac{2e}{\hbar}U(t)

gdzie:

\hbarh kreślone – Stała Diraca,
eładunek elementarny.

Efekt Josephsona jest wykorzystywany w SQUIDzie. Zjawisko Josephsona znajduje zastosowanie w przyrządach do pomiaru bardzo słabych pól magnetycznych (m.in. wywołanych akcją serca — magnetokardiografia) i bardzo słabych napięć, do detekcji i przemiany częstotliwości mikrofalowych, w bolometrii i w termometrii szumowej, a także do realizacji wzorca jednostki napięcia.

Przy pewnej wartości natężenia prądu w jednym z nadprzewodników pole magnetyczne wywołane tym prądem niszczy stan nadprzewodzący w drugim metalu (efekt Meissnera). Element taki charakteryzuje się bardzo krótkim czasem przełączenia i małym poborem mocy. Logicznie równoważny jest tranzystorowi. Stosowane w dużych, złożonych układach scalonych do przyspieszania przekazywania sygnałów poprzez efekt tunelowania elektronów. Pomimo dużego wzrostu szybkości działania w porównaniu do tradycyjnych elementów półprzewodnikowych nie są zbyt rozpowszechnione z powodu wymogów temperaturowych (wymagane temperatury bliskie zeru bezwzględnemu). Układy scalone wykorzystujące zjawisko Josephsona są ciągle w stadium prac laboratoryjnych (wymagają bardzo niskich temperatur), ich zaletą jest jednak szybkość działania ok. 100 razy większa niż krzemowych układów monolitycznych. Pomimo tego, złącza Josephsona uważane są za przyszłościowy materiał dla elektroniki[potrzebne źródło].