Richard Newrock, profesor fyziky na University of Cincinnati, studoval fyziku supravodivých materiálů 20 let.Zde je jeho vysvětlení.
Josephsonův spoj se vytvoří vložením tenké vrstvy nesuprovodivého materiálu mezi dvě vrstvy supravodivého materiálu. Zařízení jsou pojmenována podle Briana Josephsona, který v roce 1962 předpověděl, že páry supravodivých elektronů by mohly „tunelovat“ přímo přes nesuprovodivou bariéru z jednoho supravodiče na druhý. Předpověděl také přesnou podobu proudu anapěťové vztahy pro křižovatku. Experimentální práce prokázala, že má pravdu, a Josephson získal za svou práci Nobelovu cenu za fyziku v roce 1973.
abychom pochopili jedinečné a důležité rysy Josephsonových křižovatek, je nejprve nutné pochopit základní pojmy arysy supravodivosti. Pokud ochladíte mnoho kovů a slitin na velmi nízké teploty (do 20 stupňů nebo méně absolutní nuly), dojde k fázovému přechodu. Při této „kritické teplotě“ kov přechází z toho, co je známé jako normální stav, kde má elektrický odpor, do supravodivého stavu, kde v podstatě neexistuje žádný odpor vůči toku stejnosměrného elektrického proudu. Novější vysoké teplotysupravodiče, které jsou vyrobeny z keramických materiálů, vykazují stejné chování, ale při vyšších teplotách.
dochází k tomu, že se elektrony v kovu spárují. Nad kritickou teplotou je čistá interakce mezi dvěma elektrony odpudivá. Pod kritickou teplotou se však celková interakce mezi dvěma elektrony stává velmi mírně atraktivní, což je výsledek interakce elektronů s jejich iontovou mřížkou kovu.
tato velmi nepatrná přitažlivost jim umožňuje spadnout do nižšího energetického stavu a otevřít energetickou „mezeru“.“Kvůlienergetická mezera a nižší energetický stav, elektrony se mohou pohybovat (a proto proud může proudit), aniž by byly rozptýleny ionty mřížky. Kdyionty rozptylují elektrony, způsobují elektrický odpor v kovech. V supravodiči není elektrický odpor, a proto není žádná ztráta energie. Existuje však maximální nadproud, který může proudit, nazývaný kritický proud. Nad tímto kritickým proudem je materiál normální. Existuje ještě jedna velmi důležitá vlastnost: když kov přejde do supravodivého stavu, vyloučí všechna magnetická pole, pokud magnetická polanejsou příliš velké.
v Josephsonově křižovatce musí být nesuprovodivá bariéra oddělující dva supravodiče velmi tenká. Pokud bariéraje izolátor, musí být řádově 30 angstromů tlustých nebo méně. V případě, že bariéra je jiný kov (nonsuperconducting), může to být stejně jakoněkolik mikronů tlusté. Dokud není dosaženo kritického proudu, nadproud může protékat bariérou; elektronové páry mohou tunelovat přes bariéru bez jakéhokoli odporu. Při překročení kritického proudu se však přes křižovatku vyvine další napětí. Toto napětí bude záviset načas-to znamená, že je to střídavé napětí. To zase způsobí snížení kritického proudu křižovatky, což způsobí, že bude proudit ještě normálnější proud-a alarger AC napětí.
frekvence tohoto střídavého napětí je téměř 500 gigahertzů (GHz) na milivolt napříč křižovatkou. Takže pokud je proudpřes křižovatku je menší než kritický proud, napětí je nulové. Jakmile proud překročí kritický proud, napětí není zerobut osciluje v čase. Detekce a měření změny z jednoho stavu do druhého je jádrem mnoha aplikací pro Josephsonjunctions.
elektronické obvody mohou být postaveny z Josephsonových spojů, zejména digitálních logických obvodů. Mnoho vědců pracuje na stavběultrafast počítače pomocí Josephson logiky. Josephsonovy křižovatky mohou být také vytvořeny do obvodů nazývaných chobotnice-zkratka pro supravodivé kvantové interferenční zařízení. Tato zařízení jsou extrémně citlivá a velmi užitečná při konstrukci extrémně citlivých magnetometrů avoltmetry. Například lze vytvořit voltmetr, který může měřit picovolty. To je asi 1000krát citlivější než ostatní dostupné měřiče.
chobotnice se skládá ze smyčky se dvěma Josephsonovými křižovatkami přerušujícími smyčku. ASQUID je extrémně citlivý na celkové množství magnetického pole, které proniká do oblasti smyčky-napětí, které naměříte napříč zařízením, velmi silně koreluje s celkovým magnetickým polem kolem smyčky.
chobotnice se používají pro výzkum v různých oblastech. Protože mozek pracuje elektricky, lze snímáním magnetických polí vytvořených neurologickými proudy sledovat činnost mozku-neboli srdce. Pro geologický výzkum můžete také použít magnetometr chobotnice, který detekuje zbytky minulých geofyzikálních změn zemského pole vskály.
podobně jsou změny okolního magnetického pole vytvářeny ponorkami procházejícími pod hladinou oceánu a americké námořnictvo se velmi zajímá o chobotnice pro detekci ponorek. Olihně mají také značné využití ve výzkumné laboratoři ve speciálně navržených voltmetrech, v magnetometrech a susceptometrech a ve skenovacích mikroskopech chobotnic. V tomto posledním nástroji je chobotnice skenována napříč vzorkempovrch vzorku a změny magnetismu na povrchu vzorku vytvářejí obraz.
