А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 102
Текст из файла (страница 102)
Если два обычных проводника или сверхпроводника разделены ~онким слоем диэлектрика толщиной 1-2 нм (рис. 141), то через ~акой слой под влиянием сторонней ЭДС протекает электрический ток, вольт-амперная характеристика которого совершенно различна для нормальных проводников (сплошная линия) и сверхпроводников (штриховая линия)(рис. 142). По причинам, которые сейчас станут ясными, тонкий слой диэлектрика, разделяющий два проводника, называется >пуннельнь>.н контактом.
Рассмотрим туннельный контакт между двумя нормальными металлами. Схема энергетических уровней металлов при нулевой разности потенциалов на кон~акте изображена на рис. 143,а. Ток через контак~ отсутствует. Схема энергетических уровней электронов в металле при возникновении на переходе разности потенциалов ес>' показана на рис. 143, б. Видно, что на контакте возник потенциальный барьер и против уровней электронов иа левой сгороне кон~акта грие. 143, б) расположены незаполненные энергетические электронные уровни— зоны проводимое~и металла на правой стороне контакта. Заметим, что на рис. 143,б ес> означает рост потенциальных энергий электронов на левой стороне контакта, а не рост электрического потенциала на этой стороне.
Потенциал выше на правой с~ороне контакта. Через потенциальный барьер посредством туннельного эффекта еленой стороны контакта на правую проходят электроны и образуется электрический ток, текущий че- 141 Проводники, разделенные тонким слоем диэлектрика 142 Вольт-амперная характеристика туннельного контакта 143 Схема расположения энергетических уровней туннельного контакта между нормальными проводниками при нулевой разности потенциалов на контакте (и) и при разности потенциалов 1> 00 рез кон~акт справа налево (это направление прина~о за положительное на рис. 142). Ток через туннельный контакт между нормальными металлами растет прямо пропорционально возникающей на них разности потен- 376 13.
Электронные свойства твердых твп л.—.енч «1 .Й й,й) !44 Схема расположения энергетических уровней туннельного кон~акта между свсрхпроводящими проводниками при нулевой разности потенциалов на контакте (и) и при разности потениналов «l(о) циалов, как это показано на рис. 142 сплошной линией, Схема энергетических уровней сверх- проводников при нулевой разности потенциалов на контакте показана на рис.
144,а. Заполненная электронами зона отделена от свободных уровней энергетической щелью Л, наличие которой обусловливает возможнос~ь сверхпроводящего тока. При наложении на контакт разности потенциалов щели и энергетические уровни в сверхпроводниках сдвигаются точно так же, как и на рис. !43,б. Уровни с левой стороны контакта сдвигаются вверх. Верхняя часть энергетической щели с левой стороны контакта попадает против незаполненных энергетических уровней правой стороны контакта, а верхняя часть заполненных уровней левой стороны контакта попадает против энергетической щели правой стороны контакта. При такой ситуации туннелирование электронов невозможно: в пределах щели и выше щели с левой стороны контакта нет электронов, которые могли бы туннелировать, а электронам ниже щели некуда туннелировать.
Поэтому при росте потенциала на контакте от нуля никако- го тока через контакт нет. Такая ситуация продолжает сугцествовать до таких разностей потенциалов 17, когда нижний край левой щели сравняется с верхним краем правой щели (рис. 144,б). При дальнейшем повышении разности потенциалов заполненные электронами энергетические уровни с левой стороны контакта становятся против свободных уровней правой стороны контакта и начинается туннелирование электронов.
В цепи возникает сверхпроводящий ток, соответствующий разности потенциалов П = «.'«)е на контакте. Заметим, что полное отсутствие тока до момента прекращения перекрытия щелей (рис. 144, б) осуществляется только при 0 К. При отличных от нуля температурах ток су«цествует, но он очень мал (рис. 142). Первое устройство на полупроводниках, в котором наблюдались большие туннельные токи, было реализовано в 1957 г. японским ученым Л. Эсаки. Туннельный эффект между двумя металлами осуществлен в 1960 г. американским ученым А.
Джайевером. Оба они вместе с Б. Джозефсоном в !973 г. были удостоены Нобелевской премии. Эффекты Джозефсона. В 19б2 г. Б. Джозефсон теоретически предсказал существование двух явлений, получивших наименование эффектов Дэкоэефсони. Им было теоретически доказано, что во-первых, через тонкий диэлектрический контакт (см. рис. 141) сверх- проводящий ток может протекагь н при отсутствии разности потенциалов на контакте и, во-вторых, при наличии постоянной разности потенциалов через контакт протекает переменный ток.
Первый эффект называется стационарным эффектом Джозефсона, а второй — нестационарным. ~ 70 Сверхпроводимость Ясно, что эти явления отличаются от тех, которые наблюдали Л. Эсаки и А. Джайевер, хотя они также осуществляются посредством прохождения электронов через туннельный контакт. Различие заключается в том, что эффекты Джозефсона обусловливаются туннелированием сверхпроводящих электронных пар, а в альпах Эсаки и Джайевера наблюдалось туннелирование одиночных электронов. Как было отмечено выше, важнейшей особенностью состояния движения сверхпроводящих электронных пар являешься наличие фазовой когеренгности.
Кроме того, сверхпроводящие электронные пары являются Бозе-частицами и, слеловательно, в их движении должны наблюдаться явления, аналогичные явлениям интерференции взаимно когерентных волн в оптике. Этими двумя обстоятельствами и обусловливаются эффекты Джозефсона.
При наличии сверхпроводящего тока по обе стороны контакта в сверхпроводящем проводнике существуют взаимно когерентные волны куперовских пар с одинаковой часто~ой со =- = Е/Ь. Ясно, что при туннелировании через контак~ энергия, а следовательно„ и частота куперовской пары не изменяются, изменяется лишь фаза.
Поэтому прошедшая через кон~акт волна интерферирует с волной на другой стороне контакта. Сила тока, прошедшего через контакт, зависит от разности фаз. В наиболее благоприятных условиях интерференции ток достигает максимального значения, которое определяется свойствами контакта и в первую очередь его толтциной.
Таким образом, через контак~ при нулевой разности потенциалов между его сто- ронами течет постоянный сверхпроводящий ток. В этом состоит стационарный эффект Джозефсона. Нестационарный эффект Джозефсона объясняется биениями, возникающими при интерференции взаимно когерентных волн с близкими частотами. При прохождении контакта, на который наложена разность потенциалов ~У, энергия куперовской пары изменяется на 2е(/ и, следовательно, на другой стороне контакта происходи~ интерференция двух взаимно когерентных волн, частоты которых отличаются на Ата = 2еУ,%. При интерференции возникают биения амплитуды суммарной волны с частотой Асс, которые означают, что через кангак~ протекает переменный ток.
Таким образом, через контакт, находящийся под напряжением (l, протекае~ переменный сверхпроводящий ток частоты Ато = 2еУ/й. В этом состоит не- стационарный эффект Джозефсона. Заметим, что напряжению ~/ = 1 мкВ соответствует частота о = АоэД2я) = = 483,6 МГц. Для осуществления эффектов Джозефсона не обязательно создавать контакт из диэлектрика. Аналогичный эффект наблюдается, когда проводники соединены тонкой перемычкой (мостиком или контактом) или тонким слоем металла в нормальном состоянии или полупроводника.
Такие связи между сверхпроводниками называются слабыми. Сверхпроводники вместе со слабыми связями между ними называются слабаееяэанаыми ееерхправадниками. Переменный ток на кон~ак~е излучает фотоны с энергией аАто = 2е!l, которые можно детектировать. Следовательно, можно с большой точностью изучить зависимость частоты излучения от разнос~и потенциалов и вычислить с той же ~очностью зна- 378 13. Электронные свойства твердых тел ы5 Слабосвязанный сверхпроводннк как кванто- вый ннтерферометр чение е/й.
Это отношение двух фундаментальных констант таким методом найдено с большой ~очностью, которая значительно превосходит ~очность измерения другими методами, поскольку часто~а является точно измеряемой величиной. Имеет место и обратный эффект. При поглощении излучения на контакте возникает дополнительная разнос~ь потенциалов. Квантовые ннтерферометры. В строгой теории эффекта Джозефсона показывается, что сила тока, идущего через контакт, определяется формулой 1 = 10Б!п1Р (70.8) где 1о — максимальный ток, который может протекать через контакт при отсутствии разности потенциалов между его сторонами; тр — изменение фазы волны сверхпроводящих электронных пар на контакте.
Если сила тока в контуре контролируется сторонней ЭДС, то тр автоматически подстраивается под силу тока 1, а 1 является в (70.8) постоянной величийой, определяемой свойствами кон~акта. Рассмотрим сверхпроводящее кольцо, включенное в цепь, по которой протекает ток 1 (рис. !45, а). Ток протекает через слабые связи без приложения внешнего напряжения на них при условии 1 < 21, где 1 — макси- мальный ток, который может пройти через каждый контах~ в отсутствие внешнего напряжения. Разность фаз, возникающая на контакте, обозначена тр. Слабые связи предполагаются идентичными. Угол ор связан с током 1 соотношением (70,9) 1 = 21ояп1р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
