Разберем еще одно сверхпроводящее квантовое явление, которое послу- жило основой для создания целого ряда уникальных измерительных при- боров. Речь пойдет об эффекте, который был открыт в 1962 г. 22-летним английским студентом-теоретиком Б. Д. Джозефсоном3 и, спустя одинна- дцать лет, принес ему Нобелевскую премию. Представьте себе, что на стеклянную пластинку (как говорят, на под- ложку) нанесли пленку сверхпроводника (обычно ее получают, напыляя металл в вакууме). Затем ее окислили, создав на поверхности слой диэлек- трика (окисла) толщиной всего в несколько ангстремов, и снова покрыли пленкой сверхпроводника. В результате получился так называемый сэнд- вич (в буквальном смысле этим английским словом называют два куска хлеба с сыром или другим чем-нибудь вкусным между ними). В сэндви- чах и наблюдается эффект Джозефсона (для удобства измерений обычно сэндвич делают в виде креста, как показано на рис. 24.2). 'Укажем на слабые места нашего рассуждения: во-первых, из-за "вмораживания" (см. далее) нельзя изменять магнитный поток сквозь сверхпроводящее кольцо; во-вторых, сверх- проводящие пары образуют коллективное состояние, и выделить какую-нибудь одну пару невозможно. (Прим. ред.) 2Смотри сноску на стр. 200 3Б. Д. Джозефсон (родился в 1940 г.) — английский физик, лауреат Нобелевской премии 1973 г. 215 Рис. 24.2: Джозефсоновский контакт: 1 — металлические пленки; 2 - слой диэлектрика; 3 - подложка. Давайте вначале обсудим случай, когда металлические пленки нахо- дятся в нормальном (не сверхпроводящем) состоянии. Могут ли электроны из одной металлической пленки (рис. 24.3, а) переходить в другую? Ка- залось бы, нет — им мешает слой диэлектрика. Для того чтобы выйти из металла, электрон должен обладать энергией большей, чем работа выхо- да, а при низких температурах электронов с такой энергией практически нет. На рис. 24.3, б приведен график зависимости потенциальной энергии электрона от координаты х (ось х перпендикулярна к плоскости сэндви- ча). Потенциальная энергия электронов в диэлектрике Wb больше, чем кинетическая, а значит, и полная их энергия в металле 1#э- Для выхода в диэлектрик электрону надо совершить работу выхода1 Wb — Ws > 0 . Поэтому говорят, что электроны в металлических пленках разделяет по- тенциальный барьер, высота которого равна WB — 1#э- 2 X а Рис. 24.3: Потенциальная энергия электронов в туннельном контакте без напряжения. щ> б О а 'Аналогично, для того чтобы вырвать- молекулу из жидкости, надо, как известно, совер- шить работу испарения. 216 Глава 24. Что такое сквид? Если бы электроны подчинялись законам классической механики, то такой барьер для них был бы непреодолим, Но электроны — микро- частицы, а в микромире действуют особые законы, которые позволяют многое, недоступное большим телам. Человеку, например, с такой энер- гией на горку не взобраться, а вот электрон может пройти сквозь нее! Он как бы роет под горкой туннель и проникает в нее, даже если его энергии не хватает, чтобы взобраться на горку. Конечно, не следует все это понимать буквально. Туннельный эффект (так называют это явление) объясняется волновыми свойствами микрочастиц (их «размазыванием» в пространстве), и по-настоящему в нем можно разобраться, только серьез- но изучив квантовую механику. Но факт остается фактом: с некоторой вероятностью электроны могут проникать через диэлектрик из одной ме- таллической пленки в другую. Эта вероятность тем больше, чем меньше высота 1#в — 1^э барьера и чем меньше его ширина а. Итак, тонкая пленка диэлектрика оказывается проницаемой для элек- тронов — через нее может течь так называемый туннельный ток. Однако суммарный туннельный ток равен нулю: сколько электронов переходит из нижней металлической пленки в верхнюю, столько же в среднем переходит, наоборот, из верхней пленки в нижнюю. Как же сделать туннельный ток отличным от нуля? Для этого на- до нарушить симметрию, например присоединить металлические пленки к источнику тока с напряжением U (рис. 24.4, а). Тогда пленки будут играть роль обкладок конденсатора, а в слое диэлектрика возникнет электриче- ское поле с напряженностью Е — U/a, Работа по перемещению заряда е на расстояние х вдоль направления поля равна А = Fx = еЕх = eUx/a, и поэтому график потенциальной энергии электрона приобретает вид, пока- занный на рис. 24.4, б. Как видно, электронам из верхней пленки (х > а) преодолеть барьер легче, чем электронам из нижней пленки (х < 0), ко- торым надо подскочить на более высокий уровень. В результате даже при малых напряжениях источника возникает туннельный ток. Туннельные контакты из нормальных металлов используются в неко- торых приборах, но сейчас речь идет о практическом применении сверх- проводимости. Поэтому сделаем следующий шаг и представим себе, что металлические пленки, разделенные тонким слоем диэлектрика, находятся в сверхпроводящем состоянии. Как будет вести себя туннельный сверх- проводящий контакт? Оказывается, сверхпроводимость приводит к совсем неожиданным результатам. Как уже говорилось, электроны из верхней пленки имеют избыточную энергию е U по сравнению с электронами нижней пленки. Оказавшись в нижней пленке, они должны сбросить лишнюю энергию и перейти в рав- новесное состояние. Если бы пленка находилась в нормальном состоянии, 217 Рис. 24.4: Потенциальная энергия электронов в туннельном контакте под напряжением. w 4 j™2! О а i U \,u то осуществить это было бы легко: достаточно нескольких столкновений с кристаллической решеткой металла — и лишняя энергия электронов в конечном счете переходит в тепло. Но пленка находится в сверхпроводя- щем состоянии, и передать энергию решетке электроны не в состоянии. Вот и остается только электронам излучить эту энергию в виде кванта электромагнитного излучения с энергией hu>. Поэтому частота излучения и> связана с приложенным напряжением U простым соотношением Ьш = 2е U. Вы заметили, что справа написан удвоенный заряд электрона — надо помнить, что туннелируют не отдельные электроны, а сверхпроводящие пары. Вот какой удивительный эффект был предсказан Джозефсоном: посто- янное напряжение, приложенное к сверхпроводящему туннельному кон- такту (его называют также джозефсоновским элементом), приводит к гене- рации электромагнитного излучения. Экспериментально этот эффект впер- вые был обнаружен в Харьковском физико-техническом институте низких температур учеными И. М. Дмитриенко, В. М. Свистуновым и И. К. Ян- соном в 1965 г. Первое, что приходит в голову, если говорить о практическом исполь- зовании эффектов Джозефсона, — это создание генератора электромаг- нитного излучения. Но в действительности все не так просто: излучение довольно трудно вывести из узкой щели между сверхпроводящими пленка- ми, где оно генерируется (именно поэтому экспериментальное обнаружение эффекта Джозефсона было непростой задачей), да и мощность излучения 218 Глава 24. Что такое сквид? очень мала. Поэтому сейчас джозефсоновские элементы используются в основном в качестве детекторов электромагнитного излучения, но зато са- мых чувствительных в некоторых диапазонах частот. Такое применение основано на явлении резонанса между внешними электромагнитными колебаниями (в регистрируемой волне) и собственны- ми колебаниями, возникающими в джозефсоновском элементе при при- ложении к нему постоянного напряжения. Собственно говоря, резонанс лежит в основе работы многих приемников: волну удается «поймать», ко- гда ее частота совпадает с частотой приемного колебательного контура. В качестве приемного контура удобно использовать джозефсоновский эле- мент: частоту его собственных колебаний легко подстраивать (изменяя напряжение), а острота резонанса, определяющая чувствительность при- емника, оказывается очень высокой. По такому принципу уже созданы самые чувствительные приемники электромагнитного излучения, которые используются для исследования излучения Вселенной.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Эффект Джозефсона» з дисципліни «Дивовижна фізика»
