Новости науки16.10.01. Измерение сверхпроводящего тока в очень малом джозефсоновском контакте.

В 1962 г. 22-летний британский физик Джозефсон теоретически предсказал красивый квантовый эффект (экспериментально он был обнаружен годом позже; в 1973 г. Джозефсон получил Нобелевскую премию) - в системе, содержащей два сверхпроводника, разделенных тонкой диэлектрической прослойкой (джозефсоновский контакт), может течь сверхпроводящий ток (при достаточно слабых токах напряжение на контакте отсутствует). Миниатюризация джозефсоновских контактов принесла неожиданные экспериментальные результаты - максимальная величина джозефсоновского тока оказывалась существенно меньше той, которую предсказывала теория. Объединенная франко-американская группа физиков, проведя высокоточные измерения, показала, что на самом деле теория работает и для малых джозефсоновских контактов.

Открытие эффекта Джозефсона имело большое практическое значение: на базе джозефсоновских контактов были созданы очень высокочувствительные магнитометры (сверхпроводящие квантовые интерферометры), из исследований в этой области вырастает целое направление - сверхпроводниковая электроника и т.д. Эффект Джозефсона связан с тем, что достаточно тонкая несверхпроводящая прослойка нарушает когерентность сверхпроводящего состояния лишь частично - куперовские пары могут, не разрушаясь, проникать из одного сверхпроводника в другой. Частичное нарушение когерентности проявляется в том, что фаза волновой функции сверхпроводящих электронов при переходе через прослойку изменяется скачком. Джозефсоновский ток (ток через контакт) описывается простым выражением - I = I_C sin f , где I_C - критический (максимальный) ток, определяемый величиной энергетической щели в сверхпроводнике и туннельным сопротивлением контакта, а f - разность фаз волновой функции на сверхпроводящих "берегах" контакта.

Рис.1. Вверху - схематическое изображение структуры, содержащей малый джозефсоновский контакт (junction). Внизу - схема экспериментальной установки, включающая эквивалентную схему изображенной на верху структуры (chip).

Создание работающих устройств на основе микроскопических "джозефсоновских" элементов требует изучения свойств контактов очень малых размеров ("малость" контакта означает, что электрическая емкость столь мала, что "кулоновская" энергия 2e²/C превышает "джозефсоновскую" энергию). В целом ряде экспериментальных работ, в которых исследовались джозефсоновские контакты малого размера, было обнаружено, что значение критического тока существенно меньше того, что предсказывается теорией. Выдвигались различные предположения о причинах такого расхождения, не исключалась и возможность того, что для очень малых контактов традиционное теоретическое описание не вполне адекватно. Объединенная группа исследователей из Франции и США провела аккуратные измерения джозефсоновского тока для очень малого джозефсоновского контакта в условиях, когда параметры измерительной схемы (см. рис.1) выбраны так, что квантовые флуктуации фазы подавлены. Эксперименты показали [1], что величина критического тока для малого перехода согласуется с теорией, а наблюдавшиеся в более ранних экспериментах отклонения связаны со схемой измерений, делавшей максимально достижимый ток сильно зависимым от тепловых и квантовых флуктуаций.

1. A.Steinbach, P.Joyez, A.Cottet et al . Phys.Rev.Lett. v.87, 137003 (2001).

перейти к началу страницы