Josephson-effekt

I fysikk , de Josephson-effekten ytrer seg ved tilsynekomst av en strøm mellom to superledende materiale adskilt av et lag laget av et isolerende eller ikke-superledende metallisk materiale .

I det første tilfellet snakker vi om "Josephson SIS-kryss" (superleder-isolator-superleder) og i det andre om "SMS-kryss".

Det er to typer Josephson-effekter, Josephson-effekten "kontinuerlig" ( DC Josephson-effekten på engelsk ) og Josephson-effekten "alternativ" ( AC Josephson-effekten ). Disse to effektene ble spådd av Brian David Josephson i 1962 fra BCS-teorien . Dette arbeidet ga ham Nobelprisen i fysikk i 1973 , sammen med Leo Esaki og Ivar Giaever .

Selv om Cooper-par ikke kan eksistere i en isolator eller et ikke-superledende metall, kan lagene som skiller de to superlederne være tynne nok, men de kan tunnele gjennom det og beholde fasekohærensen. Det er utholdenheten i denne fasesammenheng som gir opphav til Josephson-effekten.

Alternativ Josephson-effekt

Den superledende Cooper-parestrømmen som krysser den isolerende barrieren ved tunneleffekt, skrives: hvor I c er en karakteristisk strøm (kalt kritisk strøm) til krysset og er faseforskjellen ved terminalene på krysset. ${\ displaystyle I_ {s} = I_ {c} \ sin (\ phi _ {1} - \ phi _ {2}) \,}$ ${\ displaystyle (\ phi _ {1} - \ phi _ {2})}$

På den annen side, når den superledende fasen kanonisk er konjugert med antall partikler, overholder den bevegelsesligningen:

{\ displaystyle \ hbar {\ frac {d (\ phi _ {1} - \ phi _ {2})} {dt}} = 2e (V_ {1} -V_ {2}) \,}

hvor e er den elementærladning , og V 1 - V 2 er den potensialforskjell som foreligger mellom de to superledere. Det følger at :

{\ displaystyle I (t) = I_ {c} \ sin \ left ({\ frac {2e} {\ hbar}} (V_ {1} -V_ {2}) t + \ varphi _ {0} \ right) \,}

Med andre ord er anvendelsen av en potensialforskjell resulterer i svingninger av den én- puls superledende strøm . Den vekslende Josephson-effekten gir således et middel til å måle forholdet eller relatere standardene til volt og den andre . ${\ displaystyle {\ frac {2e} {\ hbar}} (V_ {1} -V_ {2})}$ ${\ displaystyle e / h}$

Kontinuerlig Josephson-effekt

Ligningen i avsnittet ovenfor, som relaterer strømmen til spenningen som påføres krysset, kan skrives med null spenning. Dette gir likestrøm Ic karakteristisk for krysset og kalles "kritisk strøm". Med andre ord er et kryss utsatt for null spenningsforskjell setet til en likestrøm av Cooper-par.

Den kontinuerlige Josephson-effekten observeres ofte ved å påføre et magnetfelt på et Josephson-kryss. Magnetfeltet forårsaker et faseskift mellom Cooper-parene som krysser krysset på en måte som er analog med Aharonov-Bohm-effekten . Denne faseskiftet kan produsere destruktiv interferens mellom Cooper-parene, noe som resulterer i en reduksjon i maksimal strøm som kan passere gjennom krysset. Hvis er magnetisk strømning gjennom krysset, har vi forholdet: $\ Phi$

{\ displaystyle I_ {s} ^ {max} = I_ {c} {\ frac {\ sin {\ frac {\ pi \ Phi} {\ Phi _ {0}}}} {\ frac {\ pi \ Phi} {\ Phi _ {0}}}} \,}

Josephson-kryss: en høyytelsesenhet

Josephson-kryss utgjør på grunn av sine fysiske egenskaper en valgfri enhet for flere bruksområder:

Det er den grunnleggende bestanddelen av kvantekretser (in) , for eksempel kvantecomputer-superledende kretser (in) , SQUID ( Superconducting Quantum Interference Device ), den tynneste magnetfeltdetektoren (og dermed nåværende). En SQUID består av 2 parallelle kryss i en sløyfe.
Det er også den grunnleggende bestanddelen av den raske logikken kjent som RSFQ ( Rapid Single Flux Quantum ) hvor de spiller rollen som transistoren og vil autorisere hastigheter i hundrevis av GHz.
Det er også en av de mest effektive fotondetektorene. Vi snakker da om superledende tunnelkryss (STJ). Disse enhetene kombinerer ultimativ følsomhet ned til enkeltfotoner i et bredt spektralbånd (fra røntgen til nær infrarød ) med god energioppløsning.

Merknader og referanser

BD Josephson, Phys. Lett., 1, 251 (1962).
Barone A, Paterno G. Fysikk og anvendelser av Josephson-effekten . New York: John Wiley & Sons; 1982.
National Metrology and Testing Laboratory: " Representation of the Volt by the Josephson effect "

Kilder

(en) JM Ziman, prinsipper for teorien om faste stoffer , Cambridge University Press;
(en) M. Tinkham, Introduction to Superconductivity , McGraw-Hill;
(en) PW Anderson, Basic Notions of Condensed Matter Physics , Addison-Wesley.

Se også

Refleksjon av Andreev

Eksterne linker

B. Dutoit, EPFL: SQUIDs og Josephson-effekt
Representasjon av Volt av Josephson-effekten , National Laboratory of Metrology and Testing
Avhandlinger som fotondetektoroppgave fra Institut polytechnique de Grenoble (2004)
( fr ) Josephson-effekten på Nobel Foundation-nettstedet
(in) Magnetometers SQUID på nettstedet HyperPhysics