Richard Newrock, profesor de física en la Universidad de Cincinnati, ha estudiado la física de los materiales superconductores durante 20 años.Aquí está su explicación.
Una unión Josephson se hace intercalando una capa delgada de un material no conductor entre dos capas de material superconductor. Los dispositivos llevan el nombre de Brian Josephson, quien predijo en 1962 que pares de electrones superconductores podrían»hacer un túnel» a través de la barrera no superconductora de un superconductor a otro. También predijo la forma exacta de las relaciones de corriente y tensión para la unión. El trabajo experimental demostró que tenía razón, y Josephson fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1973 por su trabajo.
Para comprender las características únicas e importantes de las uniones Josephson, primero es necesario comprender los conceptos y características básicos de la superconductividad. Si enfrías muchos metales y aleaciones a temperaturas muy bajas (dentro de los 20 grados o menos del cero absoluto), se produce una transición de fase. A esta» temperatura crítica», el metal pasa de lo que se conoce como el estado normal, donde tiene resistencia eléctrica, al estado superconductor, donde esencialmente no hay resistencia al flujo de corriente eléctrica directa. Los superconductores de alta temperatura más nuevos, que están hechos de materiales cerámicos, exhiben el mismo comportamiento, pero a temperaturas más cálidas.
Lo que ocurre es que loselectrones en el metal se emparejan. Por encima de la temperatura crítica, la interacción neta entre dos electrones es repulsiva. Sin embargo, por debajo de la temperatura crítica, la interacción general entre dos electrones se vuelve ligeramente atractiva, como resultado de la interacción de los electrones con la red iónica del metal.
Esta atracción muy leve les permite caer en un estado de energía más bajo, abriendo una brecha de energía.»Debido a la brecha energética y al estado de energía inferior, los electrones pueden moverse (y por lo tanto la corriente puede fluir) sin ser dispersados por los iones de la red. Cuando los iones dispersan electrones, causa resistencia eléctrica en los metales. No hay resistencia eléctrica en un superconductor y, por lo tanto, no hay pérdida de energía. Sin embargo, hay una supercorriente máxima que puede fluir, llamada corriente crítica. Por encima de esta corriente crítica, el material es normal. Hay otra propiedad muy importante: cuando un metal entra en estado superconductor, expulsa todos los campos magnéticos, siempre y cuando los campos magnéticos no sean demasiado grandes.
En una unión Josephson, la barrera no superconductora que separa los dos superconductores debe ser muy delgada. Si la barrera es un aislante, tiene que ser del orden de 30 angstrom de espesor o menos. Si la barrera es de otro metal (no superconductor), puede tener un grosor de varias micras. Hasta que se alcanza una corriente crítica, una supercorriente puede fluir a través de la barrera; los pares de electrones pueden hacer un túnel a través de la barrera sin ninguna resistencia. Pero cuando se excede la corriente crítica, se desarrollará otro voltaje a través de la unión. Ese voltaje dependerá del tiempo, es decir, es un voltaje de CA. Esto a su vez causa una disminución de la corriente crítica de la unión, causando que fluya una corriente aún más normal and y un voltaje de CA mayor.
La frecuencia de este voltaje de CA es de casi 500 gigahertz (GHz) por milivoltio a través de la unión. Por lo tanto, mientras la corriente a través de la unión sea menor que la corriente crítica, el voltaje es cero. Tan pronto como la corriente excede la corriente crítica, el voltaje no es cero, pero oscila en el tiempo. Detectar y medir el cambio de un estado a otro está en el corazón de las muchas aplicaciones de Josephsonjunctions.
Se pueden construir circuitos electrónicos a partir de uniones Josephson, especialmente circuitos lógicos digitales. Muchos investigadores están trabajando en la construcción de ordenadores rápidos usando lógica Josephson. Las uniones Josephson también se pueden formar en circuitos llamados Calamares, un acrónimo de dispositivo de interferencia superconductor quantum. Estos dispositivos son extremadamente sensibles y muy útiles en la construcción de magnetómetros y voltímetros extremadamente sensibles. Por ejemplo, se puede hacer un voltímetro que puede medir picovoltios. Eso es aproximadamente 1.000 veces más sensible que otros medidores de voltaje disponibles.
Un SQUID consiste en un bucle con dos uniones Josephson que interrumpen el bucle. ASQUID es extremadamente sensible a la cantidad total de campo magnético que penetra el área del bucle the el voltaje que se mide a través del dispositivo está muy fuertemente correlacionado con el campo magnético total alrededor del bucle.
Los calamares se están utilizando para la investigación en una variedad de áreas. Dado que el cerebro funciona eléctricamente, uno puede, al detectar los campos magnéticos creados por las corrientes neurológicas, monitorear la actividad del cerebro–o del corazón. También puede utilizar un magnetómetro de CALAMAR para la investigación geológica, detectando restos de cambios geofísicos pasados de rocas de campo de la tierra.
De manera similar, los cambios en el campo magnético ambiental son creados por submarinos que pasan por debajo de la superficie del océano, y la Marina de los Estados Unidos está muy interesada en los calamares para la detección de submarinos. Los calamares también son de considerable uso en el laboratorio de investigación en medidores de voltaje especialmente diseñados, en magnetómetros y susceptómetros y en microscopios de calamares de barrido. En este último instrumento, se escanea un CALAMAR a través de la superficie de una muestra, y los cambios en el magnetismo en la superficie de la muestra producen una imagen.
