Richard Newrock, Professor für Physik an der University of Cincinnati, studiert seit 20 Jahren die Physik supraleitender Materialien.Hier ist seine Erklärung.
Ein Josephson-Übergang wird hergestellt, indem eine dünne Schicht eines nicht supraleitenden Materials zwischen zwei Schichten supraleitenden Materials eingelegt wird. Die Geräte sind nach Brian Josephson benannt, der 1962 vorhersagte, dass Paare supraleitender Elektronen direkt durch die nicht-supraleitende Barriere von einem Supraleiter zum anderen „tunneln“ könnten. Er sagte auch die genaue Form des Stroms voraus undspannungsbeziehungen für die Kreuzung. Experimentelle Arbeiten bewiesen, dass er Recht hatte, und Josephson erhielt 1973 den Nobelpreis für Physik für seine Arbeit.
Um die einzigartigen und wichtigen Merkmale von Josephson-Übergängen zu verstehen, müssen zunächst die grundlegenden Konzepte und Merkmale der Supraleitung verstanden werden. Wenn Sie viele Metalle und Legierungen auf sehr niedrige Temperaturen (innerhalb von 20 Grad oder weniger vom absoluten Nullpunkt) abkühlen, tritt ein Phasenübergang auf. Bei dieser „kritischen Temperatur“ geht das Metall vom sogenannten Normalzustand, in dem es einen elektrischen Widerstand aufweist, in den supraleitenden Zustand über, in dem es im Wesentlichen keinen Widerstand gegen den Fluss von elektrischem Gleichstrom gibt. Die neueren Hochtemperatur-Supraleiter, die aus keramischen Materialien hergestellt sind, zeigen das gleiche Verhalten, jedoch bei wärmeren Temperaturen.
Was auftritt, ist, dass dieelektronen im Metall werden gepaart. Oberhalb der kritischen Temperatur ist die Netzwechselwirkung zwischen zwei Elektronen abstoßend. Unterhalb der kritischen Temperatur wird die Gesamtwechselwirkung zwischen zwei Elektronen jedoch sehr geringfügig attraktiv, was auf die Wechselwirkung der Elektronen mit dem Ionengitter des Metalls zurückzuführen ist.
Diese sehr geringe Anziehungskraft ermöglicht es ihnen, in einen niedrigeren Energiezustand zu fallen und eine Energie- „Lücke“ zu öffnen.“ Aufgrund der Energielücke und des niedrigeren Energiezustands können sich Elektronen bewegen (und daher Strom fließen), ohne von den Ionen des Gitters gestreut zu werden. Wenn die Ionen Elektronen streuen, verursacht dies einen elektrischen Widerstand in Metallen. Es gibt keinen elektrischen Widerstand in einem Supraleiter und daher keinen Energieverlust. Es gibt jedoch einen maximalen Überstrom, der fließen kann, der als kritischer Strom bezeichnet wird. Oberhalb dieses kritischen Stroms ist das Material normal. Es gibt noch eine andere sehr wichtige Eigenschaft: Wenn ein Metall in den supraleitenden Zustand übergeht, stößt es alle Magnetfelder aus, solange die Magnetfelder nicht zu groß sind.
In einem Josephson-Übergang muss die nicht-supraleitende Barriere, die die beiden Supraleiter trennt, sehr dünn sein. Wenn die Barriere ein Isolator ist, muss sie in der Größenordnung von 30 Angström oder weniger dick sein. Wenn die Barriere ein anderes Metall ist (nicht supraleitend), kann es so viel sein wiemehrere Mikrometer dick. Bis ein kritischer Strom erreicht ist, kann ein Superstrom über die Barriere fließen; Elektronenpaare können ohne Widerstand über die Barriere tunneln. Wenn jedoch der kritische Strom überschritten wird, entwickelt sich eine andere Spannung an der Verbindungsstelle. Diese Spannung hängt von der Zeit ab – das heißt, es ist eine Wechselspannung. Dies wiederum bewirkt eine Absenkung des kritischen Stroms der Kreuzung, wodurch noch mehr normaler Strom fließt – und eine höhere Wechselspannung.
Die Frequenz dieser Wechselspannung beträgt fast 500 Gigahertz (GHz) pro Millivolt über den Übergang. Also, solange der Stromdurch die Kreuzung ist weniger als der kritische Strom, die Spannung ist Null. Sobald der Strom den kritischen Strom überschreitet, ist die Spannung nicht nullaber oszilliert in der Zeit. Das Erkennen und Messen der Änderung von einem Zustand in den anderen steht im Mittelpunkt der vielen Anwendungen für Josephsonjunctions.
Elektronische Schaltungen können aus Josephson-Übergängen aufgebaut werden, insbesondere digitale Logikschaltungen. Viele Forscher arbeiten am Bauultraschnelle Computer mit Josephson-Logik. Josephson-Übergänge können auch zu Schaltkreisen geformt werden, die als SQUIDs bezeichnet werden – ein Akronym für supraleitendes Quanteninterferenzgerät. Diese Geräte sind extrem empfindlich und sehr nützlich bei der Konstruktion extrem empfindlicher Magnetometer und Spannungsmesser. Zum Beispiel kann man ein Voltmeter herstellen, das Pikovolt messen kann. Das ist etwa 1.000 mal empfindlicher als andere availablevoltmeter.
Ein SQUID besteht aus einer Schleife mit zwei Josephson-Übergängen, die die Schleife unterbrechen. ASQUID ist extrem empfindlich auf die Gesamtmenge des Magnetfeldes, das den Bereich der Schleife durchdringt – die Spannung, die Sie über das Gerät messen, korreliert sehr stark mit dem gesamten Magnetfeld um die Schleife herum.
Tintenfische werden für die Forschung in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt. Da das Gehirn elektrisch arbeitet, kann man durch Erfassen der Magnetfelder, die durch neurologische Ströme erzeugt werden, die Aktivität des Gehirns oder des Herzens überwachen. Sie können auch ein SQUID-Magnetometer für die geologische Forschung verwenden, um Überreste vergangener geophysikalischer Veränderungen des Erdfeldes infelsen.
In ähnlicher Weise werden Änderungen des Umgebungsmagnetfelds von U-Booten erzeugt, die unter der Meeresoberfläche vorbeifahren, und die US-Marine ist sehr an Tintenfischen für die Erkennung von U-Booten interessiert. Tintenfische sind auch im Forschungslabor in speziell entwickelten Spannungsmessern, in Magnetometern und Suszeptometern sowie in Rasterskidmikroskopen von erheblichem Nutzen. In diesem letzten Instrument wird ein TINTENFISCH über die Oberfläche einer Probe gescannt, und Änderungen des Magnetismus an der Oberfläche der Probe erzeugen ein Bild.
