Josephsoni efekt

Allikas: Vikipeedia
Jump to navigation Jump to search
L ja R on ülijuhid, mis võivad olla samast materjalist või ka erinevast. Isolaatorikihi paksus on umbes 10 ongströmit[1]

Josephsoni efekt on ülijuhtiva voolu üks nähtustest, mille korral liigub elektrivool üle Josephsoni siirde (JJ), mille puhul kaks ülijuhi tükki on eraldatud väga õhukese isolaatoriga. Õhukeseks isolaatoriks võib olla isolatsioonitõke (tuntud kui ülijuht-isolaator-ülijuhi siire ehk SIS), õhuke kiht mitteülijuhtivat metalli (SNS) või kitsendatud kohast, mis nõrgendab kokkupuutepunktis ülijuhtivust (SsS). Üldjuhul on isolaatoriks mingi oksiid, näiteks AlO või NbO.

See efekt on nimetatud Brian David Josephsoni järgi, kes 1962. aastal tegi teoreetilise ennustuse, et ülijuhtiv vool võib olla ka kahe ülijuhi vahel, mis on õhukese isolaatorkihiga eraldatud. Enne seda ennustust teati vaid tunneliefektist. Alalisvoolu Josephsoni efekti täheldati katsetes enne 1962. aastat,[2] kuid siis arvati, et tegemist oli isolatsioonitõkke defektiga, mistõttu see elektrivool ülijuhtide vahel tekkis. Esimene avalik artikkel Josephsoni efektist ja ka katselistest tõestusest avaldati Philip Andersoni ja John Rowelli poolt.[3]

Ülijuhtivus ise on makroskoopiline kvantmaailma nähtus ja seda pole võimalik seletada kvantmaailma seaduspärasusi rakendamata. Ülijuhtivus oli füüsikutele üllatav ja põnev nähtus, kuid ligi pool sajandit ei osanud keegi seletada, miks ja kuidas see tekib. Alles 1957. aastal näitasid ameeriklased John Bardeen, Leon Cooper ja Robert Schrieffer teoreetiliselt, et metalli takistus kaob tänu elektrivoolu kandvate elektronide "ühtehoidmisele", kooskõlastatud elektronkollektiivi tekkele madalatel temperatuuridel. Ülijuhtides loobuvad elektronid individuaalkäitumisest ja moodustavad paarid. Sellised nn Cooperi paarid juhivad voolu takistuseta. Magnetilistes materjalides on aga kõik elektronid joondatud nagu sõjaväeline üksus. Josephson oli esimene, kes ennustas ülijuhtivate Cooper-paaride tunnelleerumist. Selle töö eest sai Josephson 1973. aastal Nobeli auhinna.[4]

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

1962. aastal tegi 22-aastane Brian Josephson märkimisväärse ennustuse, et kaks õhukese isoleeriva kihiga eraldatud ülijuhti peaksid tekitama lõputult liikuva elektrivoolu, nii et pinget ühendusele rakendama ei pea. Ja kui rakendada piiratud (alalisvoolu) pinge, siis vahelduvvool tekiks.

Räägitakse, et Brian Josephson tegi oma arvutuse (1962) osana Phil Andersoni kodutöö probleemi lahendamisest. Teatakse, et Anderson oli 1964.–1962. aastal Cambrige'is õppejõud ja ta andis seeria loengud, milles ta mainis ülijuhtide vahelise tunnelleerumise probleemi, mille siis Josephson kohe ära lahendas. Algselt oli idee vastu John Bardeen, kes arvas, et Cooperi paaride tekkimine ei ole võimalik siirde piirkonnas. Varajased vaidlused pöörlesid enamjaolt tunnelleerumise protsessi ümber. Tänapäeval me aga teame, et Josephsoni efekt esineb mitmesugustes olukordades, kui kaks ülijuhtu on eraldatud mingisuguse tõkkega, mis võib olla isoleeriv kiht, tavaline metall või väike kitsendus.[5]

Efekti olemus[muuda | muuda lähteteksti]

Kui materjal muutub ülijuhtivaks, moodustavad elektronid Cooperi paarid ja tekitavad kondensaadi kollektiivse kvantlaine kujul. Kui kahte ülijuhti eraldav elektriisolaator on väga õhuke (ainult mõni nanomeeter), siis võib laine ülijuhist "välja voolata", mis võimaldab elektronpaaridel läbida isolaatorit tänu kvantiefektile, mida nimetatakse tunneliefektist. Kui Cooperi paarid selliselt ühest ülijuhist teise tunnelleeruvad, siis tekibki elektrivool. Iga ülijuhti iseloomustab kvantmehaaniline suurus, mida kutsutakse faasiks. Üle siirde tekkiv elektrivool on pidevvool, mille väärtus on proportsionaalne kahe ülijuhi faasierinevuse siinusega. Seda tuntakse ka kui alalisvoolu Josephsoni efekt.[6]

Kui aga rakendada konstantne pinge ühendusele, tekib vahelduv elektrivool, mis reageerib faasi variatsioonidele. See efekt, mis ühendab pideva pinge vahelduvvooluga, on oluline. Eriti seetõttu, et vahelduvvoolude sagedus ei sõltu ülijuhtide suurusest ega nende omadustest (kriitiline temperatuur, keemiline koostis). See sagedus sõltub ainult rakendatavast pingest ja püsivatest põhiomadustest (elektroni laeng ja Plancki konstant). Võime mõõta sagedust väga täpselt tänu aatomkelladele, kuid kuni selle efekti avastamiseni ei saanud me täpselt mõõta pinget. Antud Josephsoni efekt on perfektne pinge-sagedusmuundur. Tuntakse ka vastupidist vahelduvvoolu Josephsoni efekti, kus vahelduvvoolu pingete korral võib ühendusel olla alalisvool ja siis on tegemist täiusliku sagedus-pingemuunduriga.[6]

Tuntumad ongi need kolm Josephsoni efekti:

  • (DC) alalisvoolu Josephsoni efekt
  • (AC) vahelduvvoolu Josephsoni efekt
  • vastupidine (AC) vahelduvvoolu Josephsoni efekt

Josephsoni efekti kirjeldavad põhiseosed on järgmised:[7]

(ülijuhi faasi kirjeldav seos)
(Josephsoni siirde voolu ja faasi seos)

kus on pinge, mis on rakendatud Josephsoni ühendusele ja on vool läbi selle ühenduse, on faasi erinevus ja on kriitilise voolu konstant. Kriitiline vool on oluline parameeter, mida võib mõjutada nii temperatuur kui ka rakendatav magnetväli.

Rakendused[muuda | muuda lähteteksti]

Josephsoni uuritud siirded olid tunnelleerumisel põhinevad siirded. Nendes siiretes on barjääriks õhuke isolaatori kiht. Tänapäeva on võimalik ehitada ka muid tüüpi siirdeid, mida nimetatakse üldiselt nõrkadeks ühendusteks või siireteks. Tänapäeval ongi mõiste "Josephsoni siire" kasutusel üldiselt nende nõrkade ühenduste nimetamiseks. On olemas mitmesuguseid struktuure Josephsoni siirde jaoks, näiteks ülijuhtjuht-metall siire (SNS) ja veelgi keerukamad struktuurid (SNIS, SINIS jne.).

Josephsoni efekt pakub kõvasti kõneainet nii teoreetilises kui ka eksperimentaalses füüsikas. Seda füüsikalist fenomeni kasutatakse ka väga paljudes praktilistes rakendustes.

SQUID[muuda | muuda lähteteksti]

on sisendvool, SQUIDi kriitiline vool, SQUIDI magnetvoog ja on pinge, mis vastab sellele magnetvoole. X-id tähistavad Josephsoni siiret

Josephsoni efekti kasutatakse ära väga hästi SQUID-ides (ülijuhtivad kvantinterferentsseadmed), mille abil tehakse kõige täpsemaid magnetvoo kvandi mõõtmisi. Josephsoni efekt on magnetvälja väärtuse suhtes väga tundlik, sest ülijuhtide faasi variatsiooni saab siduda magnetvooga. Seejärel saab seda suurt tundlikkust kasutada väga täpsete magnetvälja mõõteseadmete (SQUID-ide) ehitamiseks. Need seadmed on seni kõige täpsemad vahendid magnetvälja mõõtmiseks.[8]

Alalisvoolu SQUID koosneb kahest Josephsoni siirdest. SQUID on äärmiselt mitmekülgne vahend. Esiteks on seda kasutatud magnetväljade väga väikeste variatsioonide mõõtmiseks pikka aega. Lisaks võib see olla kasutusel koos välise vooluahelaga madala signaali galvanomeetri, voltmeetri ja oommeetrina.[9][10]

Tänu nende tundlikkusele ja mitteinvasiivsusele leidsid SQUIDid palju rakendust meditsiinilises diagnostikas. Rakendades organismis biovoolude ajel tekkivaid kaduvväikesi magnetvälju, on loodud aju- ja südamehaiguste diagnostikaseadmeid. SQUID-magnetomeetreid rakendatakse samuti geoloogias, adumaks muistseid Maa magnetvälja muutusi kivimites. USA merevägi tarvitab SQUID-magnetomeetreid õhinal sukeldunud allveelaevade otsinguks.[11][12]

Metroloogia[muuda | muuda lähteteksti]

See ahel sisaldab 3020 Josephsoni siiret ja võimaldab väga täpselt genereerida pinge 1 volt. Seda saab kasutada mõõteseadmete kalibreerimiseks

Vahelduvvoolu Josephsoni efekti saab ära kasutada pinge-sagedusmuundurina. Selle kõige tähelepanuväärsem funktsioon on see, et see sõltub ainult universaalsetest konstantidest. Kuna keskkonnamuutujad (magnetvälja, ristmike mõõtmed jne) ei mõjuta mõõtmisi kuidagi, siis saab seda mõõta eri kohtades erinevate inimeste poolt. Veelgi enam saab seda kasutada väga täpsete sageduse ja pingete mõõtmiste seadmetes. Kuna sagedus on juba täpselt ja praktiliselt määratud tseesiumstandardiga, kasutatakse Josephsoni efekti, et defineerida väga täpselt üks volt.[13][14]

Krütron[muuda | muuda lähteteksti]

Juba enne 1962. aastat olid teadlased juba unistanud loogikavõrgustikust, mis põhineks ülijuhtidel. Esimene läbimurre selles valdkonnas oli krüotroni areng.[15] See seade põhineb ülijuhtiva faasi üleminekul normaalsesse ning vastupidi ja seda juhitakse magnetväljaga. Selle lähenemisviisi peamine probleem oli suhteliselt pikk lülitusaeg (∼ 10µs) ülijuhtiva ja normaalse oleku vahel. Lahendus leiti varsti pärast 1967. aastal ilmunud Josephsoni artikli ilmumist. Läbimurdeks osutus nullpinge ja takistuslike olekute vahelise ülemineku kasutamine tunnelsiirdes. Matisoo ehitas ka teerajaja Josephsoni digitaalse vooluahela elemendi, flip-flopi, mille lülitusaeg oli vähem kui 1 ns. Kahjuks aga ei saanud nendest arvutitest asja. Josephsoni arvuti tappis tehnoloogia nimega mikroprotsessor. Nagu paljud teised eksponentsiaalsed kasvud, oldi ka Moore'i seadust algselt alahinnatud. 1985. aastal oli mikroprotsessori areng nii kiire ja hästi prognoositav, et kõik samaaegsed tehnoloogiad olid praktiliselt ära langenud.[16]

SIS – ülijuhtidest koosnev siire[muuda | muuda lähteteksti]

Ülijuhtiv materjal on helesinine, isolaatorkiht on must ja substraat on roheline

Nendel seadmetel on lai valik rakendusi näiteks elektromagnetilise kiirguse kõrge tundlikkusega detektorid, magnetomeetrid, suure kiirusega digitaalse ahela elemendid ja kvantarvutid. Ülijuht-isolaator-ülijuhi siire ehk SIS on elektrooniline seade, mis koosneb kahest ülijuhist, mis on eraldatud väga õhukese isolatsioonimaterjali kihiga. Vool läbib siiret tunnelleerumise protsessi tõttu. Kuna nende tundlikkus on üks suuremaid vahemikus 100–1000 GHz, siis kasutatakse neid palju raadioastronoomias. Samuti kasutatakse neid ühefootonidetekteerimisseadmetes, selles rakenduses töötab seade väiksel alalisvoolu pingel. Ülijuhis absorbeerunud footon purustab Cooperi paarid ja loob kvaasiosakesed. Kvaasiosake tunnelleerub läbi siirde rakendatava pinge suunas ja sellest tulenev tunnelvool on proportsionaalne fotoonenergiaga. SIS-seadmeid kasutatakse footonite sageduse detektoritena, mis ulatuvad röntgenikiirgusest kuni infrapunani.[17]

Veel rakendusi[muuda | muuda lähteteksti]

Josephsoni efekti kasutatakse ära veel järgmistes seadmetes:

  • üksik-elektrontransistorid [18]
  • elementaarlaengu mõõtmistes[19]
  • RSFQ-loogikalülitites[20]
  • kvantarvutites[21]
  • Quiteron – ülijuhtidest tehtud lüliti[22]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. Prodi, G.A. and Zanini, F., Josephson Effect and Selected Applications: an Example of Quantum Effects in Macroscopic Systems.
  2. Josephson, Brian D. "The Discovery of Tunneling Supercurrents (Nobel Lecture)". 
  3. P. W. Anderson; J. M. Rowell (1963). "Probable Observation of the Josephson Tunnel Effect". Phys. Rev. Lett. 10 (6): 230. Bibcode:1963PhRvL..10..230A. doi:10.1103/PhysRevLett.10.230. 
  4. The Nobel prize in physics 1973
  5. Josephson effect
  6. 6,0 6,1 http://www.supraconductivite.fr/en/index.php?p=applications-squid-josephson
  7. Barone, A.; Paterno, G. (1982). Physics and Applications of the Josephson Effect. New York: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-01469-0. 
  8. T. D. Gamble, W. M. Goubau, and J. Clarke. Magnetotellurics with a remote magnetic reference. Geophysics, 44(1):53–68, 1979.
  9. E. Il’ichev, L. Dorrer, F. Schmidl, V. Zakosarenko, P. Seidel, and G. Hildebrandt. Current resolution, noise, and inductance measurements on high-tc dc squid galvanometers. Applied Physics Letters, 68(5):708–710, 1996.
  10. A. H. Miklich, D. Koelle, F. Ludwig, D. T. Nemeth, E. Dantsker, and John Clarke. Picovoltmeter based on a high transition temperature squid. Applied Physics Letters, 66(2):230–232, 1995.
  11. A I Ahonen, M S H¨am¨al¨ainen, M J Kajola, J E T Knuutila, P P Laine, O V Lounasmaa, L T Parkkonen, J T Simola, and C D Tesche. 122-channel squid instrument for investigating the magnetic signals from the human brain. Physica Scripta, T49A:198–205, 1993.
  12. J. Kawai, M. Kawabata, T. Shimozu, M. Miyamoto, Y. Adachi, G. Uehara, K. Komamura, and N. Tsuyuguchi. A low noise squid magnetometer array probe designed for mouse and rat mcg measurements. International Congress Series, 1300:570–573, 2007.
  13. Clark A. Hamilton. Josephson voltage standards. Review of Scientific Instruments, 71(10):3611–3623, 2000.
  14. O.A. Chevtchenko, H.E. van den Brom, E. Houtzager, R. Behr, J. Kohlmann, J.M. Williams, T.J.B.M. Janssen, L. Palafox, D.A. Humphreys, F. Piquemal, S. Djordjevic, O. Monnoye, A. Poletaeff, R. Lapuh, K.-E. Rydler, and G. Eklund. Realization of a quantum standard for ac voltage: overview of a european research project. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, 54(1):628– 631, Apr 2005.
  15. D.A Buck. The cryotron-a superconductive computer component. Proceedings of the IRE, 42(4):482–493, Apr. 1956.
  16. J. Matisoo. The tunneling cryotron—a superconductive logic element based on electron tunneling. Proceedings of the IEEE, 55(2):172–180, Feb. 1967.
  17. STJ detectors from the European Space Agency, accessed 8-17-11
  18. T. A. Fulton; P. L. Gammel; D. J. Bishop; L. N. Dunkleberger; G. J. Dolan (1989). "Observation of Combined Josephson and Charging Effects in Small Tunnel Junction Circuits". Phys. Rev. Lett. 63 (12): 1307–1310. Bibcode:1989PhRvL..63.1307F. PMID 10040529. doi:10.1103/PhysRevLett.63.1307. 
  19. Williams, E.R., Steiner, R.L., Newell, D.B. and Olsen, P.T., 1998. Accurate measurement of the Planck constant. Physical Review Letters, 81(12), p.2404.
  20. K.K. Likharev and V.K. Semenov, RSFQ logic/memory family: a new Josephson-junction technology for sub-terahertz-clock-frequency digital systems. IEEE Trans. Appl. Supercond. 1 (1991), 3. doi:10.1109/77.80745
  21. V. Bouchiat; D. Vion; P. Joyez; D. Esteve; M. H. Devoret (1998). "Quantum coherence with a single Cooper pair". Physica Scripta T 76: 165. Bibcode:1998PhST...76..165B. doi:10.1238/Physica.Topical.076a00165. 
  22. Schwarzschild, B.M., 1983. Quiteron superconducting switch acts like a transistor. Physics Today, 36, p.19.