Эффекты Джозефсона.

Первый или стационарный эффект Джозефсона обычно связывают с туннелированием куперовских пар через тонкий диэлектрический мостик между двумя сверхпроводниками.

Суть эффекта состоит в туннелировании бозе частиц (куперовских пар) через потенциальный барьер без нарушения сверхпроводящего состояния. Туннелируют не отдельные электроны, входящие в пару, а пара целиком. И это притом, что размеры пары (среднее расстояние между связанными электронами) больше толщины потенциального барьера. В равновесных условиях через джозефсоновский контакт в двух направлениях идут равные по величине диффузионные токи сверхпроводимости, обусловленные хаотическим движением куперовских пар. Если же джозефсоновский контакт включен в сверхпроводящее кольцо, в котором был возбужден ток, то имеется направленное – дрейфовое движение куперовских пар и по кольцу через потенциальный барьер течет постоянный ток сверхпроводимости.

Первоначально создание джозефсоновского контакта представляло большие трудности. Это были очень тонкие (несколько микрометров) изолирующие слои. Сейчас понятие контакта Джозефсона трактуют расширительно – это могут быть точечные (а не плоские) контакты, контакты не только диэлектрические, но и из нормального (т.е. не сверхпроводящего) металла, и

другие комбинации материалов. О таких структурах стали говорить как о сверхпроводниках со слабой связью, подразумевая, что имеются области, где материалы обладают свойствами сверхпроводника, но они разделены областями, не имеющими таких свойств. При этом лежащие по обе стороны контакта сверхпроводники могут состоять из разных материалов и иметь различные характеристики.

Второй или нестационарный эффект Джозефсона наблюдается, если к сверхпроводнику приложено постоянное электрическое напряжение. Например, если имеется два линейных по форме сверхпроводника, разделенных потенциальным барьером, к свободным концам которых приложено напряжение. Поскольку у сверхпроводников нет электрического сопротивления, внутри них не происходит падения напряжения. Все напряжение падает на диэлектрической перемычке (заметьте, что толщина перемычки весьма мала, поэтому для ее сохранения и исключения возможности электрического пробоя необходимо использовать разности потенциалов порядка нескольких милливольт). Это означает, что с одной стороны перемычки энергия куперовской пары больше, чем с другой стороны. Следовательно, пройдя джозефсоновский контакт, куперовская пара имеет избыток энергии

, (4.3.1)

где - заряд куперовской пары, - приложенное напряжение.

Избыточная энергия (1) должна быть отдана электромагнитному полю в виде фотона, так как иначе возможен разрыв куперовской пары и нарушение сверхпроводящей пары. Возникает электромагнитное излучение, идущее из области потенциального барьера. Как видно из (1), частоту излучения можно регулировать, изменяя . При напряжении в 1 микровольт частота генерации составляет примерно 500 МГц. Но излучение имеет малую мощность и его трудно зарегистрировать. Поэтому, хотя джозефсоновские контакты вначале рассматривались как новые источники электромагнитных излучений, они нашли совсем другое техническое применение. Это очень чувствительные датчики электромагнитных излучений. Если «осветить» джозефсоновский контакт излучением с частотой, удовлетворяющей условию (1), то есть вероятность поглощения соответствующего фотона куперовской парой, которая тогда может перейти барьер, но в направлении, противоположном сверхпроводящему току. Такой переход пары эквивалентен уменьшению силы сверхпроводящего тока, что может быть зарегистрировано. Резонансная настройка джозефсоновского перехода на изучаемую частоту поводится простым изменением напряжения , что весьма удобно. Однако такие измерения требуют использования очень низких температур. Тем не менее, на втором эффекте Джозефсона созданы детекторы излучения, пригодные для эталонного определения напряженности переменного электрического поля электромагнитной волны. Особенно ценно то, что измерять напряженности можно как у постоянных полей, так и у полей высокочастотных.

Необходимо понимать, что нестационарный эффект Джозефсона является ярким примером виртуального квантовомеханического процесса. Поглощение или испускание фотона (1) происходит в один квантовомеханический акт: куперовская пара совершает туннельный переход и одновременно поглощает или испускает энергию поля. Было бы неверно считать, что пара сначала туннелирует, а потом поглощает или испускает фотон (или наоборот, сначала поглощает/испускает фотон, а потом туннелирует). Такие процессы тоже могут иметь место, но обычно они менее вероятны.