Переход Джозефсона¶

Переход Джозефсона — это квантовомеханическое явление, заключающееся в протекании сверхпроводящего тока через тонкий слой изолятора (или другой слабосвязанный контакт), разделяющий два сверхпроводника, без приложения внешнего напряжения. Эффект был предсказан британским физиком Брайаном Джозефсоном в 1962 году, за что в 1973 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. Переход Джозефсона лежит в основе ряда высокочувствительных электронных приборов и квантовых вычислительных устройств.

¶История открытия

В 1962 году, будучи аспирантом Кембриджского университета, Брайан Джозефсон теоретически проанализировал свойства туннельного контакта между двумя сверхпроводниками, разделёнными тонким слоем диэлектрика. Он показал, что куперовские пары — носители сверхпроводящего тока — могут туннелировать через барьер, оставаясь в когерентном состоянии. Это предсказание было вскоре экспериментально подтверждено Филом Андерсоном и Джоном Роуэллом из Bell Labs, а также независимо группой советских физиков под руководством И. М. Лифшица. Открытие положило начало новому разделу физики — джозефсоновской электронике.

¶Физическая сущность

¶Стационарный эффект Джозефсона

Если через переход Джозефсона не приложено внешнее напряжение, через него может протекать постоянный сверхпроводящий ток, величина которого зависит от разности фаз волновых функций сверхпроводников на разных сторонах контакта. Эта зависимость описывается первым уравнением Джозефсона:

\[ I = I_c \sin(\Delta\phi) \]

где \(I\) — ток через переход, \(I_c\) — критический ток (максимальный ток, который может протекать без появления напряжения), а \(\Delta\phi\) — разность фаз между сверхпроводниками. При превышении критического тока на переходе возникает напряжение, и эффект переходит в нестационарный режим.

¶Нестационарный эффект Джозефсона

При приложении к переходу постоянного напряжения \(V\) возникает переменный ток высокой частоты, частота которого прямо пропорциональна напряжению. Это описывается вторым уравнением Джозефсона:

\[ \frac{d(\Delta\phi)}{dt} = \frac{2eV}{\hbar} \]

где \(e\) — заряд электрона, \(\hbar\) — приведённая постоянная Планка. Частота колебаний тока составляет \(f = \frac{2eV}{h}\). Это соотношение является основой для создания сверхточных вольтметров и стандартов напряжения.

¶Типы переходов Джозефсона

¶Туннельный переход (SIS-переход)

Классическая структура «сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник» (SIS). Толщина изоляционного слоя обычно составляет 1–3 нанометра. Такие переходы обладают высокой нелинейностью и используются в сверхпроводящих квантовых интерферометрах (СКВИДах).

¶Переход с точечным контактом

Образуется при механическом контакте двух сверхпроводников через микроскопическую точку. Прост в изготовлении, но менее стабилен. Использовался в первых экспериментах по наблюдению эффекта.

¶Переход с узким мостиком (S-c-S-переход)

Сверхпроводящий мостик с длиной, меньшей длины когерентности, соединяет два массивных сверхпроводника. Такие переходы обладают низкой ёмкостью и применяются в высокочастотных устройствах.

¶Переход на границе раздела фаз

Встречается в высокотемпературных сверхпроводниках, где естественные границы зёрен или дефекты кристаллической решётки выступают в роли слабых связей.

¶Применение

¶Сверхпроводящие квантовые интерферометры (СКВИДы)

СКВИД — это устройство, содержащее один или два перехода Джозефсона в сверхпроводящем кольце. Оно способно измерять чрезвычайно малые изменения магнитного поля (до \(10^{-15}\) Тл). СКВИДы применяются в магнитоэнцефалографии (регистрация магнитных полей мозга), геофизической разведке, неразрушающем контроле материалов и фундаментальных физических исследованиях.

¶Стандарты напряжения

На основе нестационарного эффекта Джозефсона созданы эталонные источники напряжения, воспроизводимые с точностью до \(10^{-9}\) В. Они используются в национальных метрологических институтах, в том числе в России (Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева).

¶Квантовые вычисления

Переходы Джозефсона являются основным элементом сверхпроводящих кубитов — базовых ячеек квантовых компьютеров. Наиболее распространённые типы кубитов (трансмон, флаксониум, фазовый кубит) реализуются на джозефсоновских переходах. В России разработкой сверхпроводящих кубитов занимаются в Московском физико-техническом институте, Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» и других научных центрах.

¶Терагерцовая электроника

Переходы Джозефсона могут генерировать и детектировать электромагнитное излучение в терагерцовом диапазоне (0,1–10 ТГц). Это перспективно для систем безопасности (обнаружение скрытых объектов), медицинской диагностики и спектроскопии.

¶Критика и ограничения

Основным ограничением применения переходов Джозефсона является необходимость криогенного охлаждения. Для низкотемпературных сверхпроводников (например, ниобия) требуется температура жидкого гелия (4,2 К), что делает устройства дорогими и сложными в эксплуатации. Высокотемпературные сверхпроводники (например, на основе иттрий-барий-медного оксида) работают при температуре жидкого азота (77 К), но их переходы менее стабильны и сложнее в изготовлении. Кроме того, технология изготовления нанометровых изоляционных слоёв требует высокой точности и чистоты материалов.

¶Интересные факты

• Эффект Джозефсона является одним из немногих макроскопических квантовых явлений, наблюдаемых в лабораторных условиях.
• В 1962 году Брайан Джозефсон опубликовал свою работу в возрасте 22 лет, что является редким случаем столь раннего признания в физике.
• СКВИДы на основе переходов Джозефсона используются в экспериментах по поиску гравитационных волн (например, в детекторах LIGO).
• В 2020 году российские учёные из МФТИ и Института физики твёрдого тела РАН продемонстрировали работу кубита на основе переходов Джозефсона с временем когерентности более 100 микросекунд.

¶Источники

• Josephson B. D. Possible new effects in superconductive tunnelling // Physics Letters. — 1962. — Vol. 1, No. 7. — P. 251–253.
• Андерсон П. У. Основы теории сверхпроводимости. — М.: Мир, 1968.
• Лихарев К. К., Ульрих Б. Т. Системы с джозефсоновскими переходами. — М.: Наука, 1985.
• Clarke J., Braginski A. I. The SQUID Handbook. — Wiley-VCH, 2004.
• Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева. Эталон напряжения на основе эффекта Джозефсона. — СПб., 2021.
• Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт». Сверхпроводящие кубиты: состояние и перспективы. — М., 2023.