Джозефсона эффект

ДЖОЗЕФСОНА ЭФФЕКТ, протекание сверхпроводящего тока в системах, состоящих из двух сверхпроводников (обычно в виде тонких плёнок), разделённых тонкой прослойкой из диэлектрика, полупроводника или металла в нормальном (несверхпроводящем) состоянии. Джозефсона эффект наблюдается и в том случае, когда сверхпроводники соединены тонкой перемычкой (мостиком или точечным контактом). В таких системах оказывается возможным прохождение не только обычных электронов проводимости, но и куперовских электронных пар. Существование Джозефсона эффекта связано с тем, что в результате прохождения через контакт электронная пара не разрушается, а попадает в сверхпроводящий бозе-конденсат второго сверхпроводника. Джозефсона эффект теоретически предсказан Б. Джозефсоном (1962).

Движение заряженных частиц регистрируется как протекание через контакт электрического тока. В случае так называемого стационарного Джозефсона эффекта разность потенциалов между сверхпроводниками (так называемыми берегами перехода) равна нулю, и электрический ток бездиссипативен. Стационарный Джозефсона эффект реализуется при малых токах, меньших, чем характеризующий контакт ток I_j (критический джозефсоновский ток), который уступает по величине критическому току сверхпроводимости I_С берегов перехода. При токах, превышающих I_j на переходе возникает разность потенциалов U, но возможность для существования Джозефсона эффекта сохраняется (нестационарный Джозефсона эффект). В случае нестационарного Джозефсона эффекта при прохождении сверхпроводящих электронов через прослойку каждая электронная пара изменяет свою энергию на ΔЕ = 2eU, где е - заряд электрона. В этом процессе в переходе генерируется переменный ток, частота ω которого и напряжение U на переходе связаны соотношением: ω/U = 2е/ћ (ћ- постоянная Планка).

Теоретический анализ Джозефсона эффекта и экспериментальные результаты показывают, что из-за джозефсоновского прохождения электронных пар фазы сверхпроводящих волновых функций берегов перехода оказываются скоррелированными, то есть Джозефсона эффект подтверждает основную концепцию современной теории сверхпроводимости - наличие единой волновой функции и фазовой когерентности спаренных электронов в сверхпроводящем состоянии.

Джозефсона эффект лежит в основе большого числа разработанных приборов и устройств: сверхпроводящих квантовых интерферометров (смотри СКВИД-магнитометр), разнообразных генераторов, детекторов, смесителей и усилителей гига- и терагерцевого диапазонов. На основе Джозефсона эффекта современными методами измерено отношение 2е/ћ≈ 4,835 940 00·10¹⁴ Гц/В с погрешностью 2·10^-8.

Лит.: Солимар Л. Туннельный эффект в сверхпроводниках и его применение. М., 1974; Бароне А., Патерно Д. Эффект Джозефсона: физика и применения. М., 1984.