Джозефсона эффект

Эффекты Джозефсона и квантовая интерференция [c.9]

Постоянная интегрирования пь (1.7) должна быть целочисленной 0 1 2,. .. Это можно установить, рассмотрев переход к массивному сверхпроводящему кольцу, чго соответствует резкому увеличению критического тока контакта. Задача о нахождении стационарных состояний такого кольца аналогична задаче квантования электронных орбит в атоме водорода. В результате магнитный поток внутри кольца может принимать только дискретные значения, кратные кванту магнитного потока =h 2e = = 2,07 10" Вб. Эта величина употреблена нами в формулировке нестационарного эффекта Джозефсона (1.2) и формуле (1.7). Из последней видно, чго имеется ряд состояний с нулевой разностью фаз на контакте, а значит, без тока через него. Эти состояния различаются числом квантов потока через кольце. В пределах же одного периода по связь между фазой и магнитным потоком однозначна. Явление это получило название макроскопической квантовой интерференции, хотя здесь и трудно провести наглядную параллель, например с более привычной интерференцией волн на поверхности воды. Название это связано с тем, что первые эксперименты с парой джозефсоновских контактов в сверхпроводящем кольце математически хорошо описывались в терминах интерференции волн от двух когерентных источников [9]. Оно и породило термин сквид для измеряющего магнитное поле прибора в виде сверхпроводящего кольца с одним или двумя джозефсоновскими переходами. [c.11]

Первое из них (стационарный эффект Джозефсона) состоит в том, что при нулевой разности потенциалов через туннельный контакт может протекать малый сверхпроводящий постоянный ток. Второе (нестационарный эффект Джозефсона) возникает, если к образцу из двух сверхпроводников с туннельным контактом приложить постоянное напряжение и (например, путем изменения внешнего магнитного поля). В этом случае через контакт будет протекать переменный сверхпроводящий ток частотой со = 2е/Ли. Эффект протекания переменного тока, обратим если через туннельный контакт пропустить переменный ток частотой ю,. например путем облучения образца электромагнитным полем с частотой (о, то на контакте возникнет постоянное напряжение и=2е//гы. Погрешность линейности связи между частотой и напряжением равна 10 в экспериментах пока эта линейность оценена значением порядка 10 . [c.37]

Рис. 213. Схема установки (а) и барьера (б) для проверки эффекта Джозефсона

Поскольку величина к/е в настоящее время известна с погрешностью около то и размер единицы электрического сопротивления на холловском контакте воспроизводится с такой же погрешностью. Используя совместно эффекты Джозефсона и Холла, возможно получить вечные меры других производных единиц физических величин, связанных между собой различными уравнениями связи. [c.39]

В макроскопическом образце сверхпроводника за счет мощного взаимного влияния электронных пар устанавливается одна фаза (см. гл. V, 3). Разрезав сверхпроводник на две части и отодвинув их, например, на 1 мм, можно получить разные фазы, поскольку взаимное влияние их устраняется (размер куперовской пары С 1 мм). Следовательно, цепь разорвана, ток в цепи отсутствует (рис. 212, а). Но если сдвинуть куски сверхпроводника на 10—20 А (расстояние, меньшее о). то между ними возможен обмен в силу обычных волновых свойств электрона. А раз уж электронные пары перекочевывают из одного куска в другой, барьер между ними не должен оказывать электрического сопротивления, т. е. быть сверхпроводящим. Это подметил английский физик Джозефсон (1962 г.). Рассматривая свойства туннельного контакта (рис. 212, б, в) между двумя сверхпроводниками, он пришел к открытию двух следующих эффектов. [c.529]

Экспериментальная установка для проверки эффекта Джозефсона (рис. 213, а) внешне не представляет собой ничего особенного, но тем не менее является истин-д ным произведением инже- [c.530]

Эффекты Джозефсона можно использовать не только для генерации, [c.531]

Предсказание квантовых эффектов при протекании тока через туннельный барьер (эффек ты Джозефсона) [c.779]

Измерительные приборы хранят меру физической величины, с которой и сравнивается измеряемое ее значение. При этом приходится часто поверять эту меру с эталонной (образцовой), чтобы убедиться в правильности и единстве выполняемых измерений. Отметим, что большинство первичных эталонов не только хранят, но и воспроизводят единицу физической величины. С ростом требований к точности измерений все чаще возникает вопрос а нельзя ли меру не только хранить, а при любом измерении воспроизводить. При этом отпадает необходимость поверять соответствующее средство измерений (остается, конечно, операция проверки работоспособности). Для реализации свойства воспроизводимости в приборы должны быть встроены вечные меры , не меняющие своих качеств в зависимости от условий и времени проведения измерений. Подобные вечные меры могут быть созданы на основе ряда физических природных констант, явлений и эффектов. Так, все чаще разработчики радиоизмерительных приборов обращаются к эффекту Джозефсона, применение которого в следующие 5—10 лет, очевидно, найдет достаточно широкую практическую реализацию во многих видах техники. Вычислительная техника, магнитометрия, СВЧ микроэлектроника, измерения электрических и теплотехнических физических величин и другие — это немногие из возможных сфер применений на практике эффекта Джозефсона [8]. Как и во многих других случаях, измерительная техника несколько раньше соприкоснулась с данным эффектом и это заслуживает того, чтобы кратко изложить его сущность и возможности. [c.36]

Сам по себе эффект квантования магнитного потока из-за малости Фо практически может быть обнаружен на сверхпроводниках с очень малыми отверстиями (диаметр кольца около 0,01 мм). Но следствием этого являются эффекты в так называемых слабосвязанных сверхпроводниках. Если два проводника (в нормальном состоянии) разделены слоем изолятора (окисной пленкой одного из проводников толщиной 10 см), то из-за туннельного эффекта электроны переходят из одного металла в другой и между ними устанавливается равновесие,, а при приложении к ним разности потенциалов потечет электрический ток. Если туннельный контакт образуется между двумя сверхпроводниками, то возникают два явления, называемые эффектом Джозефсона. [c.37]

На основе эффекта Джозефсона можно создавать многие виды измерительной техники эталоны (калибраторы) постоянного и переменного тока, высокочастотные генераторы, частотомеры с воспроизводимостью и долговременной стабильностью не хуже цезиевых и водородных стандартов частоты и др. На первых порах такие приборы будут чисто метрологическими, образцовыми или в ряде случаев даже эталонными. Позже их станут все чаще применять и как рабочие средства измерений. [c.39]

Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона (физика и применение) Пер. с англ. — М. Мир, 1984. — 640 с. [c.232]

Теоретические исследования показывают возможность генерации излучений в диапазоне 10 —10 Гц за счет когерентных переходов в мембранных каналах между энергетическими уровнями, возникающими в электрическом поле мембранного потенциала. Ожидаемая мощность излучения 10 Вт/мг [40]. Также предполагается генерация электромагнитных волн частотой 10 1 Гц за счет эффекта Джозефсона у клеточных белков [70]. Несмотря на широкое н успешное применение методов регистрации биоэлектрической активности тканей и органов человека для прикладных задач медицины и биологии, механизмы генерации биопотенциалов и электромагнитных полей остаются пока до конца неясными. [c.41]

В середине 60-х годов был изобретен новый физический прибор, получивший название сквид. Его действие основано на использовании сугубо квантовых явлений, а именно эффекта Джозефсона и явления квантования магнитного потока в сверхпроводниках. Появление этого прибора в лабораториях открыло совершенно новые возможности для исследований, связанных с измерением очень слабых магнитных полей. (Приборы, использующие эффект Джозефсона, имеют и много других областей применения [1, 2].) Сквид, применяемый как магнитометр, резко расширил диапазон измеримых магнитных полей, так как порог его чувствительности на два-три порядка ниже по сравнению с лучшими магнитометрами других систем. Наряду с более высокой чувствительностью сквид обладает целым рядом других важных преимуществ. Он имеет очень небольшой размер, так что в ряде случаев его считают точечным. Сквидом можно измерять все три компоненты вектора магнитного поля (многие магнитометры определяют лишь абсолютную величину поля). Далее, это достаточно широкополосный прибор, обеспечивающий измерения в диапазоне от постоянного поля до переменных с частотой до нескольких мегагерц. И, наконец, сквид обладает уникальной линейностью зависимости выходного сигнала от внешнего магнитного поля, что позволяет с высокой точностью измерять изменения магнитных полей. Определенным недостатком сквида является лишь то, что он работает только при очень низких температурах, необходимых для реализации сверхпроводящего состояния. Обычно сквид помещается в дьюаровский сосуд с жидким гелием. Это обстоятельство заметно ограничивает, по крайней мере в настоящее время, область применения столь уникального прибора. [c.4]

При стационарном эффекте Джозефсона разность потенциалов на переходе равна нулю и пары туннелируют без изменения энергии из одного сверхпроводника в другой Если же на переходе появляется разность потенциалов, то туннелирующая пара с зарядом 2е может перейти по другую сторону барьера лишь с поглощением (энергетический переход вверх — см. гл. VIII, 5) или испусканием (переход вниз) фотона. Закон сохранения энергии должен выполняться, и поэтому энергия кванта йсо = 2бУ, где V — падение напряжения на переходе. (рис. 212, в). Это — двухуровневая квантовая система с двумя дискретными уровнями (и предельно узкими), переходы вниз обязательно излучательные. [c.529]

Практическое исполнение джозефсоновских контактов в зависимости от их назначения, электрофизических параметров и технических требований, может быть различным (рис. 1.4). К электрофизическим параметрам, в известной мере определяющим и конструктивное исполнение, относятся так называемые характерные параметры напряжение контакта Ик, частота fк, критический ток через контакт /кр, сопротивление контакта в нормальном состоянии Ля. Характерное напряжение Ик=/кр н определяет напряжение на контакте, однозначно связанное с характерной частотой через соотношение fк=Uк/Фo, т. е. частотные свойства джо-зефсоновского перехода. Для большинства сверхпроводников значения Ик ограничены несколькими милливольтами и это определяет верхнюю границу частоты приборов, использующих эффект Джозефсона, значением порядка 10 Гц. Во всех случаях, иллюстрируемых рис. 1.4, слабая связь между двумя металлическими конструкциями контакта образуется различными способами в случае туннельного контакта—слоем изолятора в случае мостиков постоянной (рис. 1.4,6) или переменной (рис. 1.4,в) толщины — за счет малой площади перехода (перемычка шириной около 1 мкм) в случае точечного контакта — за счет крайне малой площади соприкосновения иглы (рис. 1.4,а). [c.38]

Как выяснилось при экспериментальном изучении, эффекты Джозефсона проявляются не только в случае двух сверхпроводников, разделенных слоем изолятора, т.е. туннельного контакта, но и в целом ряде [c.11]

Процессы в неорганических сверхпроводниках имеют важное значение как для объяснения электрофизических процессов в ассоциатах воды, так и для разработки методов и аппаратуры, позволяющих осуществлять регистрацию слабых электромагнитных излучений, в том числе излучений, возникающих при фазовых переходах ассоциатов. Именно способность слоистых сверхпроводящих структур к взаимодействиям с магнитными полями сверхмалой напряженности (интенсивностью менее 0,1 мТл) является основой подобия свойств воды и сверхпроводящих материалов, магнитная чувствительность которых характерна лишь для джозефсонов-ских эффектов. [c.135]

Когерентные домены воды должны быть способны к коммуникации между собой за счет эффекта Джозефсона и чувствительными по отношению к отдельным квантам магнитного потока (2,0710 Вб). Квантование магнитного потока является фундаментальным свойством когерентности в магнитном поле. В пассивных физических системах необходимая когерентность и долговременное упорядочение достигается только в пределах абсолютной температуры. В лазерных и живых системах когерентность достигается за счет динамических процессов. Однако вода может быть когерентной в основном состоянии, в то время как лазер - в возбужденном состоянии. Если живая система способна ощущать кванты магнитного поля, то к ней применим и эффект Джозефсона, поскольку его основа заключается в квантовании магнитного потока. Примеры проявления данного эффекта в биосистемах представлены в работе [30]. [c.155]

Необходимость учета квадратичного допплеровского сдвига в экспериментах по эффекту Мессбауэра была отмечена впервые Джозефсоном [68], обратившим внимание на важность учета различия температур излучателя и поглотителя в опытах по определению гравитационного сдвига энергии гамма-квантов типа опыта Паунда и Ребки [69]. Ход рассуждений Джозефсона весьма прост. С испусканием -кванта одно из ядер в решетке становится легче на величину = — (е /с ). Между тем его импульс в решетке при излучении кванта без отдачи не меняется. В результате кинетическая энергия данного ядра р /2т, а соответственно и вся кинетическая энергия ядер в решетке возрастают на величину 6Е = 6 р 12т) = — (р /2) Ьт1т ) = (и 2с ) е,о, и на такую же величину должна уменьшиться энергия излучаемого кванта. Соответственно при поглощении одним из ядер решетки гамма-кванта кинетическая энергия движения ядер в решетке уменьшается, а потому и резонансная энергия поглощаемого кванта также должна уменьшиться. Квадратичный допплер-эффект в отличие от отдачи смещает резонансные энергии излучаемого и поглощаемого квантов в одну и ту же сторону. Усреднение по значениям дает бв = v l2 ) ео = Е тс ) Ео, т. е. изменение резонансной энергии гамма-кванта пропорционально средней кинетической энергии мессбауэровских атомов в решетке, зависящей от теплоемкости решетки, т. е. ее температуры и химического состава. В конечном счете относительное изменение резонансной энергии гамма-квантов с температурой описывается соотношением д1дТ) (бд/бо) = — (Ср/2с ), где Ср — удельная теплоемкость при постоянном давлении. Так, для железа при комнатной температуре относительное изменение энергии гамма-квантов на Г К составляет 2,2 (т. е. величину, равную гравитационному смещению энергии у-кванта на высоте 22 м), а ожидаемое смещение при переходе от комнатной температуры до абсолютного нуля близко к естественной ширине линии. [c.40]

Принцип действия сквид-магнитометра. Сквид-магнитометр был впервые применен для измерения биомагнитного поля Коэном с соавторами в 1970 г. [84], а в настоящее время приборы этого типа используются подавляющим большинством исследователей, работающих в области биомагнетизма. Теория магнитометрических приборов, основанных на эффектах Джозефсона, разработана довольно подробно и изложена в многочисленных книгах и статьях [9, 12, 15, 21, 26—28, 33, 36, 39, 53, 70, 72, 118, 119, 165, 179, 182, 192, 205, 207, 208, 210 и др.]. Сведения о сквид-магнитометрах, используемых для биомагнитных измерешй в СССР, можно найти в [7, 9]. Ниже будет дано лишь самое общее представление о принципе действия, конструкции и условиях эксплуатации сквид-магнитометров. [c.18]

Особенно экзотично эффекты экранирования выглядят на уровне микромира, где для их объяснения приходится прибегать к различного рода микромодельным гипотезам. Например, известны эффекты Джозефсона, когда между двумя сверхпроводящими кусками металла, разделенными тонким слоем изолятора, проходят электроны. Они преодолевают ничтожный скачок потенциала типа ВС на рис. 4, в этот процесс сопровождается излучением фотонов. По-видимому, если с помощью какой-либо-другой степени свободы заставить электроны двигаться в обратном направлении (по пути ВС на рис. 4, г), то термическое вещество будет поглощаться и появится обратный эффект Джозефсона. Еще пример экранированные фотоны выделяются при торможении заряженной частицы электростатическим полем атомного ядра и атомных электронов. Должен существовать также и обратный тормозному излучению процесс экранирования термического вещества заряженной частицей при ее разгоне в этом поле. Аналогичную природу имеет известный эффект Черенкова, когда заряженные частицы излучают свет, если при движении в веществе их скорость превышает скорость света в этом веществе. [c.210]

Нестационарный эффект Джозефсона — возникновение переменного сверхпроводящего тока при наложении постоянной разности потенциалов между двумя сверхпроводниками, разделенными тонким, порядка 10 см, слоем изолятора [76]. Эфс кт не обнаружен в биообъектах. Исходя из возможного существования эффекта у бактерий и ДНК, исследователя пытаются объяснить острорезонансный характер влияния электромагнитных волн миллиметрового диапазона на функциональную активность некоторых генетических элементов бактерий, в частности на колициногениый фактор Es heri hia соИ [58, 77]. Описана физическая модель нейрона, основанная иа эффекте Джозефсона [961. [c.161]

Это выражение представляет суть стационарного эффекта Джозефсона, который состоит в том, что и через изолирующую прокладку между двумя сверхпроводниками может протекать бездиссипативный, сверхпроводящий ток ( туннелирование электронных пар ) при этом волновые функции электронов в обоих сверхпроводниках оказываются связанными. Если же ток через переход превысит критический, то между сверхпроводящими берегами возникнет разность электрических потенциалов — напряжение V. При этом связь волновых функций отнюдь не нарушится, а примет форму нестационарного эффекта Джозефсона разность фаз в будет монотонно нарастать со временем, а сверхпроводящий ток будет осциллировать с круговой частотой [c.10]

Суть эффекта Джозефсона состоит в том, что через изолирующую прокладку между двумя сверхпроводниками [СП] может протекать без-диссипативный, сверхпроводящий ток ( туннелирование электронных пар ) при этом волновые функции электронов в обоих проводниках оказываются связанными. Если же ток через туннельный переход превысит критический, то между СП берегами возникает разность потенциалов. При этом связь волновых функций не нарушается, а принимает форму нестационарного эффекта Джозефсона [1-8]. С позиций неравновесной динамики [6] сверхпроводник представляет собой сильнонелинейный элемент, важнейшая особенность которого состоит в том, что нелинейность вольт-амперной характеристики проявляется при очень малых значениях токаи напряжения,чем и объясняется его очень высокая чувствительность к слабым сигналам. [c.135]

Синхронно делящиеся клетки излучают радиочастотные колебания, когерентность которых слишком высока, чтобы принять их за низкополосный шум. Подобные колебания должны быть ограничены квантовыми флуктуациями [28,29]. Это может означать, что живые системы способны использовать как квантовую чувствительность, так и эффект Джозефсона. Данное явление рассматривается на основе квантовой полевой теории, выдвинутой в работе [30]. [c.154]

ВЫХОД и продуцирующих ее ОН-радикалов [60]. Температурная зависимость выхода перекиси водорода при сонолизе имеет экстремум при Т=33° С. Температурные точки 53° С и 81,6° С проявляются в результате генерации импульсов ЭМИ при образовании фазовых неустойчивостей в процессе нагревания воды, регистрируемых детектором на основе эффекта Джозефсона [34]. [c.173]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология