Tunelowanie Josephsona

Tunelowanie Josephsona

Tunelowanie Josephsona to zjawisko fizyczne, które zostało postulowane przez Briana Josephsona w 1962 roku, a potwierdzone eksperymentalnie w 1963 roku. Polega na tunelowaniu par Coopera pomiędzy dwoma nadprzewodnikami na granicy złącza nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik lub nadprzewodnik-obszar normalny-nadprzewodnik.

Nadprzewodniki są rozdzielone cienką warstwą dielektryka lub metalu nienadprzewodzącego o grubości nanometrów. Natężenie prądu w złączu opisuje pierwsze prawo Josephsona:

• $I\; =\; I\_1\; \backslash sin\; \backslash varphi$,

gdzie φ to różnica faz funkcji falowych par Coopera, a I₁ jest parametrem zależnym od temperatury i pola magnetycznego.

W przypadku przyłożenia napięcia $U(t)$ na złączu, faza $\backslash varphi$ zmienia się zgodnie z drugim prawem Josephsona:

• $\backslash frac\{\backslash partial\backslash varphi\}\{\backslash partial\; t\}\; =\; \backslash frac\{2e\}\{\backslash hbar\}U(t)$,

gdzie $\backslash hbar$ to stała Diraca, a $e$ to ładunek elementarny.

Zastosowania Efektu Josephsona

Efekt Josephsona ma wiele zastosowań, w tym:

• Pomiary bardzo słabych pól magnetycznych (np. magnetokardiografia).
• Detekcja i przemiana częstotliwości mikrofalowych.
• Bolometria i termometria szumowa.
• Realizacja wzorca jednostki napięcia.

Elementy wykorzystujące zjawisko Josephsona działają na zasadzie efektu Meissnera, gdzie pole magnetyczne generowane przez prąd w jednym nadprzewodniku może zniszczyć stan nadprzewodzący w drugim. Charakteryzują się one krótkim czasem przełączenia i niskim poborem mocy, co sprawia, że są odpowiednikami tranzystorów w złożonych układach scalonych, przyspieszając przekazywanie sygnałów poprzez tunelowanie elektronów.

Wyzwania i Przyszłość

Głównym wyzwaniem w szerokim zastosowaniu złącz Josephsona jest konieczność pracy w bardzo niskich temperaturach. Jednakże, z uwagi na ich dużą szybkość (nawet stukrotnie szybsze od tradycyjnych elementów krzemowych), trwają prace nad ich rozwojem i zastosowaniem w technologii.

Podsumowanie

Tunelowanie Josephsona to kluczowe zjawisko w nadprzewodnictwie, mające szerokie zastosowanie w nowoczesnych technologiach, mimo istniejących ograniczeń związanych z temperaturą pracy.