Эффект Джозефсона
Эффе́кт Джо́зефсона, протекание сверхпроводящего электрического тока в системах, состоящих из двух массивных сверхпроводников со «слабой» связью между ними. «Слабой» связью могут быть тонкие прослойки из диэлектрика, полупроводника или металла в нормальном (несверхпроводящем) состоянии. Эффект Джозефсона наблюдается также и в том случае, когда два сверхпроводника соединены тонкой перемычкой (мостиком или точечным контактом). В подобных системах оказывается возможным туннельное прохождение через переход не только обычных электронов проводимости, но и электронных куперовских пар. Эффект Джозефсона связан с тем, что в результате прохождения через контакт электронная пара не разрушается, а попадает в сверхпроводящий бозе-конденсат второго сверхпроводника. Различают стационарный и нестационарный эффекты Джозефсона; оба эффекта были теоретически предсказаны в 1962 г. Б. Джозефсоном.
В случае стационарного эффекта Джозефсона разность потенциалов между сверхпроводниками (берегами перехода) равна нулю и электрический ток бездиссипативен. Стационарный эффект Джозефсона реализуется при малых токах, меньших, чем характеризующий контакт ток (критический джозефсоновский ток), который уступает по величине критическому току сверхпроводимости берегов перехода. При протекании тока на контакте появляется скачок фазы волновой функции сверхпроводимости.
При токах, превышающих , на переходе возникает разность потенциалов , но возможность для существования эффекта Джозефсона сохраняется (нестационарный эффект Джозефсона). В случае нестационарного эффекта Джозефсона при прохождении сверхпроводящих электронов через прослойку каждая электронная пара изменяет свою энергию на , где – заряд электрона. В этом процессе в переходе генерируется переменный ток, частота которого и напряжение на переходе связаны соотношением: ( – постоянная Планка).
Теоретический анализ эффекта Джозефсона и экспериментальные результаты показывают, что из-за джозефсоновского прохождения электронных пар фазы сверхпроводящих волновых функций берегов перехода оказываются скоррелированными, т. е. эффект Джозефсона подтверждает основную концепцию современной теории сверхпроводимости – наличие единой волновой функции и фазовой когерентности спаренных электронов в сверхпроводящем состоянии.
Эффект Джозефсона лежит в основе работы большого числа разработанных приборов и устройств: сверхпроводящих квантовых интерферометров (СКВИД-магнитометр), разнообразных генераторов, детекторов, смесителей и усилителей гига- и терагерцевого диапазонов. На основе эффекта Джозефсона современными методами измерено отношение 4,83594000·1014 Гц/В с погрешностью 2·10–8, что позволило создать стандарт вольта с погрешностью 10–9.