происходят в слое Лондона. В результате этого любые изменения магнитного поля внутри катушки, намотанной вокруг цилиндра с пленкой, происходят четко определенными дискретными скачка ми. Под влиянием изменения магнитного поля при каждом таком дискретном его приращении в катушке генерируется импульс напряжения.
Квантованный модулятор магнитного потока такого типа мо жет иметь миниатюрные размеры при толщине сверхпроводящей стенки всего 1 мкм. Благодаря малой массе такого устройства оно допускает частоты переключения, превышающие на три порядка величины частоту, возможную при использовании эф фекта Мейсснера.
Сокращенное название сквид (801И 0) можно расшифровать как «сверхпроводящий квантовый интерферометрический датчик»
($ирегсоп<1исйпд Оиап1шп 1п1ег{еготе1ег Оеуше). На его основе можно сконструировать несколько различных типов приборов, предназначенных для измерения очень слабых магнитных полей — с напряженностью порядка одной стотысячной у.
26. ТУННЕЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Если два проводника разделены изолятором, то изолирующее вещество действует как барьер, препятствующий перетеканию электронов проводимости от одного проводника к другому. Одна ко при достаточно тонком слое изолятора некоторые электроны все же проходят через такой барьер. Это следует из квантовой теории вещества.
Прохождение электронов малой энергии через йепроводящий высокоэнергетический барьер без повреждения вещества, из ко торого состоит этот барьер, называется туннельным эффектом. Элементы устройства с туннельным переходом, в котором наблю дается этот эффект, показаны на рис. 26.1.
Рис. 26.1. Сверхпроводящий переход. Элементы устройства с туннельным эффектом
Когда туннельный переход образован двумя металлическими элементами, разделенными слоем изолятора, соотношение между
его напряжением и током при низких напряжениях имеет линей ный характер, причем плотность тока пропорциональная при ложенному напряжению. Если же по крайней мере один из двух металлических проводников обладает сверхпроводимостью, то могут происходить нелинейные явления двух типов, которые по лучили названия эффекта Жавера и эффекта Джозефсона на постоянном токе.
26.1. ЭФФЕКТ ЖАВЕРА
Туннельный переход между двумя проводниками называется переходом Ж авера, если один из проводников обладает сверх проводимостью. Эффект Ж авера состоит в том, что в определенной области малых значений приложенного напряжения ток между проводниками отсутствует, а в областях больших значений при ложенного напряжения соотношение между напряжением и током является линейным. Это явление обусловлено туннельным эффек том, в котором электроны функционируют как отдельные частицы.
Рис. 26.2. Характеристика перехода Жавера. При определенных значениях напряженности магнитного поля и температуры и при достаточно высоком напряжении через изолирую
щий |
барьер |
проходят |
одиночные |
||
электроны: |
ток; |
2 — активность |
теп |
||
/ — туннельный |
|||||
ловых |
электронов; |
3 — резистивная |
на |
||
грузка; |
Ус — критическое |
напряжение |
|||
До тех пор пока напряжение на переходе Жавера не превы сит критического уровня, ток в нем не течет (рис. 26.2). Когда возрастающее напряжение достигает критического уровня, ток скачком увеличивается от нуля до некоторого значения, лежаще го на прямой, характеризующей пропорциональность между то ком и напряжением. На самом деле такие соотношения имеют место только при абсолютном нуле температуры. При более высоких температурах ток в «нулевой области» несколько смещен относительно нулевого значения, так что через переход Жавера течет малый постоянный ток. Этот ток смещения нуля является следствием прохождения через барьер электронов под влиянием теплового возбуждения при наличии сверхпроводимости.
26.2. ЭФФЕКТ ДЖОЗЕФСОНА НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
Переход Джозефсона образуется в присутствии магнитного поля, когда оба проводника туннельного перехода обладают
Рис, |
26.3. Характеристики перехода |
Рис. |
26.4. Периодические максимумы |
||
Джозефсона. При определенных значе |
тока. Зависимость |
критического |
тока |
||
ниях |
напряженности магнитного поля |
от |
напряженности |
магнитного |
поля |
н температуры через изолирующий для перехода Джозефсона представ барьер проходят пары сверхпроводя ляет собой периодическую функцию щих электронов без соответствующего
падения напряжения:
/ — туннельный ток; 2 — сверхпроводящие электроны; 3 — резистивная нагрузка; 1С— критический ток
сверхпроводимостью. Эффект Джозефсона на постоянном токе
характеризуется наличием области малых значений тока, где ток течет через переход Джозефсона, не создавая на этом переходе падения напряжения (рис. 26.3).
В области малых значений тока через переход Джозефсона имеются максимумы тока, которые зависят от напряженности магнитного поля, перпендикулярного направлению перехода. Такое максимальное, или критическое, значение тока, который может течь через переход Джозефсона без падения напряжения на переходе,— критический ток Джозефсона — изменяется в зави симости от напряженности внешнего магнитного поля и определя
ется следующим выражением: |
|
1с=1о(5'ткВ)/(кВ\ |
(26.1) |
где /о — критический ток при отсутствии внешнего |
магнитного |
поля; В — магнитный поток через контур, образуемый переходом Джозефсона, и к — константа.
Следовательно, критический ток для одиночного контура с переходом Джозефсона представляет собой периодическую функцию магнитного потока, сцепленного с этим контуром. Фак тически уравнение (26.1) аналогично математическому соотно шению, описывающему картину оптических дифракционных по лос для одиночной щели. Поэтому график изменения критическо го тока, приведенный на рис. 26.4, подобен по форме распределе нию энергии излучения после прохождения через одиночную щель.
Поскольку в присутствии магнитного поля критический ток
зависит только от этого поля, значение тока можно использо вать в качестве меры напряженности внешнего магнитного поля.
Если напряжение возбуждения на переходе Джозефсона вы зывает ток, превышающий критическое значение, то, для того чтобы вновь установился критический ток, нужно уменьшить напряжение возбуждения до нуля.
Можно составить цепь из нескольких переходов Джозефсона, включенных параллельно. Тогда закономерности изменения их суммарного критического тока будут аналогичны закономерно стям изменения излучения в многощелевом оптическом интер ферометре.
Плотность тока, протекающего через переход Джозефсона, зависит от разности фаз электронных пар в сверхпроводнике, или куперовских пар по обе стороны от изолирующего барьера. Эта разность фаз изменяется под влиянием внешнего магнитного поля, перпендикулярного направлению тока в переходе.
26.3.УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ПЕРЕХОДА
Взависимости от того, каким образом осуществляется перенос тока сверхпроводимости — за счет одиночных электронов
или электронных пар, данный переход может функционировать в режиме Жавера или в режиме Джозефсона. Выбирая тот или другой из этих режимов, можно получать какое-либо из двух устойчивых значений тока, текущего при одном и том же напря жении возбуждения. Изменение режима можно осуществлять пу тем перевода одного из двух проводников из состояния сверх проводимости в обычное состояние. Переключение можно также выполнять при помощи управляющего магнитного поля. Сущест вование двух устойчивых состояний при сочетании явлений Жавера и Джозефсона (рис. 26.5) может быть использовано при конструировании цифровых логических цепей и запоминающих
устройств |
вычислительных |
машин. |
||||
Рис, |
26.5. |
Характеристика |
перехода |
|||
Жавера — Джозефсона. |
Задавая |
ма |
||||
лые изменения напряженности магнит |
||||||
ного поля, можно перемещать рабочую |
||||||
точку |
сверхпроводящего |
перехода, |
||||
с тем чтобы получить либо характе |
||||||
ристику Джозефсона, |
либо |
характери |
||||
стику Жавера. Это соответствует двум |
||||||
устойчивым |
состояниям, |
которые |
ис |
|||
пользуются |
в цепях |
вычислительных |
||||
машин для представления цифр 1 |
и 0: |
|||||
1 — активность электронных пар; 2 — тун |
||||||
нельный ток; |
3 — активность |
отдельных |
||||
|
|
электронов |
|
|
|
|
Величина скачка напряжения на переходе Ж авера—Джозеф- сона зависит от емкости перехода. Но емкость пропорциональна площади, поэтому чем меньше площадь перехода, тем меньше скачок напряжения на нем и тем быстрее можно переключать его из одного состояния в другое.
26.4. ЭФФЕКТ ДЖОЗЕФСОНА НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Если в цепи, состоящей из резистивной нагрузки и перехода Джозефсона, возбуждается ток под действием некоторого при ложенного напряжения, то на переходе отсутствует падение напряжения, пока ток не достигает критического значения. Если же между двумя сверхпроводниками, образующими переход Джозефсона, поддерживается заданная постоянная разность потенциалов, то между ними течет переменный ток с частотой Джозефсона, которая определяется следующим выражением:
!= к У , |
(26.2) |
где V — приложенная разность потенциалов и к — константа (равная (483,5976± 0,0012) Мгц на 1 мкВ приложенной разности потенциалов).
Это соотношение не зависит от температуры, напряженности магнитного поля и типа веществ, образующих переход. На нем основан точный метод определения единицы электрического на пряжения — стандартного вольта.
26.5. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ЭФФЕКТ ДЖ ОЗЕФСОНА
Если воздействовать на переход Джозефсона высокочастот ным излучением, то зависимость между напряжением и током приобретает ступенчатый характер. Она представляется после довательностью дискретных значений напряжения, для каждого из которых частота Джозефсона равна целому кратному частоты излучения.