Richard nyrock, professor i fysik ved University of Cincinnati, har studeret fysik af superledende materialer i 20 år.Her er hans forklaring.
et Josephson-kryds er lavet ved at klemme et tyndt lag af et ikke-superledende materiale mellem to lag af superledende materiale. Enhederne er opkaldt efter Brian Josephson, der forudsagde i 1962, at par superledende elektroner kunne”tunnel” lige gennem den ikke-superledende barriere fra en superleder til en anden. Han forudsagde også den nøjagtige form for den nuværende ogspændingsforhold til krydset. Eksperimentelt arbejde viste, at han havde ret, og Josephson blev tildelt Nobelprisen i fysik i 1973 for hansarbejde.
for at forstå de unikke og vigtige træk ved Josephson-kryds er det først nødvendigt at forstå de grundlæggende begreber ogfunktioner i superledningsevne. Hvis du køler mange metaller og legeringer til meget lave temperaturer (inden for 20 grader eller mindre af absolut nul), opstår der en fasetransition. Ved denne “kritiske temperatur” går metallet fra det, der er kendt som den normale tilstand, hvor den har elektrisk modstand, til den superledende tilstand, hvor der i det væsentlige ikke er nogen modstand mod strømmen af jævn elektrisk strøm. De nyere høj temperatursuperledere, der er lavet af keramiske materialer, udviser den samme opførsel, men ved varmere temperaturer.
hvad der sker er, atelektroner i metallet bliver parret. Over den kritiske temperatur er nettointeraktionen mellem to elektroner frastødende. Under den kritiske temperatur bliver den samlede interaktion mellem to elektroner imidlertid meget lidt Attraktiv, et resultat af elektronernes interaktion med det Ioniske gitter af metallet.
denne meget lille tiltrækning gør det muligt for dem at falde i en lavere energitilstand og åbne et energi “hul.”På grund afenergigabet og den lavere energitilstand kan elektroner bevæge sig (og derfor kan strømmen strømme) uden at blive spredt af gitterets ioner. Nårionerne spreder elektroner, det forårsager elektrisk modstand i metaller. Der er ingen elektrisk modstand i en superleder, og derfor ingen energyloss. Der er dog en maksimal superstrøm, der kan strømme, kaldet den kritiske strøm. Over denne kritiske strøm er materialet normalt. Der er en anden meget vigtig egenskab: når et metal går i superledende tilstand, udviser det alle magnetfelter, så længe magnetfelterneer ikke for store.
i et Josephson-kryds skal den ikke-superledende barriere, der adskiller de to superledere, være meget tynd. Hvis barrierer en isolator, skal den være i størrelsesordenen 30 Ångstrøm tyk eller mindre. Hvis barrieren er et andet metal (nonsuperledende), kan det være så meget somflere mikron tykke. Indtil en kritisk strøm er nået, kan en superstrøm strømme over barrieren; elektronpar kan tunnel over barrierenuden nogen modstand. Men når den kritiske strøm overskrides, vil en anden spænding udvikle sig over krydset. Denne spænding vil afhænge aftid-det vil sige, det er en vekselstrømsspænding. Dette medfører igen en sænkning af krydsets kritiske strøm, hvilket får endnu mere normal strøm til at strømme-og alarger AC spænding.
frekvensen af denne vekselstrømsspænding er næsten 500 gigaherts pr. Så så længe strømmengennem krydset er mindre end den kritiske strøm, spændingen er nul. Så snart strømmen overstiger den kritiske strøm, er spændingen ikke nulmen svinger i tide. Detektion og måling af ændringen fra den ene tilstand til den anden er kernen i de mange applikationer til Josephsonjunctions.
elektroniske kredsløb kan bygges fra Josephson-kryds, især digital logic circuitry. Mange forskere arbejder på at byggeultrafast computere ved hjælp af Josephson logik. Josephson-kryds kan også formes til kredsløb kaldet blæksprutter-et akronym for superledende kvanteinterferensenhed. Disse enheder er ekstremt følsomme og meget nyttige til konstruktion af ekstremt følsomme magnetometre ogvoltmetre. For eksempel kan man lave et voltmeter, der kan måle picovolt. Det er omkring 1.000 gange mere følsomt end andre tilgængeligevoltmetre.
en blæksprutte består af en løkke med to Josephson-kryds, der afbryder sløjfen. Den spænding, du måler på tværs af enheden, er meget stærkt korreleret med det samlede magnetfelt omkring sløjfen.
blæksprutter bruges til forskning på en række områder. Da hjernen fungerer elektrisk, kan man ved at føle de magnetiske felter, der er skabt af neurologiske strømme, overvåge hjernens aktivitet-eller hjertet. Du kan også bruge et blæksprutte magnetometer til geologisk forskning, der registrerer rester af tidligere geofysiske ændringer af jordens felt iklipper.
tilsvarende er ændringer i det omgivende magnetfelt skabt af ubåde, der passerer under havets overflade, og den amerikanske flåde ermeget interesseret i blæksprutter til ubådsdetektion. Blæksprutter er også til stor nytte i forskningslaboratoriet i specialdesignede voltmetre, i magnetometre og susceptometre og i scanning af BLÆKSPRUTTEMIKROSKOPER. I dette sidste instrument scannes en blæksprutte på tværs afoverfladen af en prøve, og ændringer i Magnetisme på overfladen af prøven producerer et billede.
