Cincinnatin yliopiston fysiikan professori Richard Newrock on tutkinut suprajohtavien materiaalien fysiikkaa 20 vuoden ajan.Tässä on hänen selityksensä.
Josephsonin liitos tehdään sijoittamalla ohut kerros suprajohtamatonta materiaalia kahden suprajohtavan kerroksen väliin. Laitteet on nimetty Brian Josephsonin mukaan, joka ennusti vuonna 1962, että suprajohtavat elektroniparit voisivat”tunneloida” suoraan suprajohtamattoman esteen läpi suprajohteesta toiseen. Hän ennusti myös risteyksen nykyisen ja jännitteisen suhteen tarkan muodon. Kokeellinen työ osoitti hänen olevan oikeassa, ja Josephson sai työstään Nobelin fysiikanpalkinnon vuonna 1973.
Josephsonin liittymien ainutlaatuisten ja tärkeiden piirteiden ymmärtämiseksi on ensin ymmärrettävä suprajohtavuuden peruskäsitteet ja ominaispiirteet. Jos jäähdyt monia metalleja ja seoksia hyvin alhaisissa lämpötiloissa (sisällä 20 astetta tai vähemmän absoluuttinen nolla), phasetransitionia tapahtuu. Tässä” kriittisessä lämpötilassa ” metalli menee niin kutsutusta normaalitilasta, jossa sillä on sähkövastus, siihen superijohtavaan tilaan, jossa ei ole olennaisesti vastusta suoran sähkövirran virtaukselle. Uudemmat korkea-temperaturesuperconductors, jotka on valmistettu keraamisista materiaaleista, näytteille sama käyttäytyminen, mutta lämpimämmissä lämpötiloissa.
tapahtuu, että metallin elektronit muuttuvat pareiksi. Kriittisen lämpötilan yläpuolella kahden elektronin välinen nettovuorovaikutus on vastenmielinen. Criticaltemperature-arvon alapuolella kahden elektronin yhteisvaikutus muuttuu kuitenkin hyvin lievästi puoleensavetäväksi, mikä johtuu elektronien vuorovaikutuksesta metallin teionisen hilan kanssa.
tämän hyvin vähäisen vetovoiman ansiosta ne voivat pudota alempaan energiatilaan, mikä avaa energiakuilun.”Energiakuilun ja alemman energiatilan vuoksi elektronit voivat liikkua (ja siksi virta voi virrata) joutumatta hilan ionien hajottamiksi. Kun ionit hajottavat elektroneja, se aiheuttaa metalleissa sähkövastuksen. Suprajohteessa ei ole sähkövastusta, eikä siten myöskään energylossia. On kuitenkin olemassa suurin mahdollinen virtaava supervirta, jota kutsutaan kriittiseksi virraksi. Tämän kriittisen virran yläpuolella materiaali on normaali. On toinenkin erittäin tärkeä ominaisuus: Kun metalli menee suprajohtavaan tilaan, se karkottaa kaikki magneettikentät, kunhan magneettikentät eivät ole liian suuria.
Josephsonin liitoksessa kaksi suprajohtavaa estettä erottavan ei-suprajohtavan esteen on oltava hyvin ohut. Jos Barrier on eriste, sen on oltava luokkaa 30 angstroms paksu tai vähemmän. Jos este on toinen metalli (nonsuperconducting), se voi olla niin paljonuseita mikroneja paksu. Kunnes kriittinen virta on saavutettu, supervirta voi virrata esteen yli; elektroniparit voivat tunneloida esteen poikki ilman vastusta. Mutta kun kriittinen virta ylittyy, liitoksen yli kehittyy toinen jännite. Se jännite riippuu ajasta-eli se on vaihtovirtajännite. Tämä puolestaan aiheuttaa liitoksen kriittisen virran alenemisen, mikä aiheuttaa vielä enemmän normaalia virtaa–ja alarger AC-jännitteen.
tämän VAIHTOVIRTAJÄNNITTEEN taajuus on lähes 500 gigahertsiä (GHz) millivolttia kohti liitoskohdassa. Joten, niin kauan kuin virta risteyksen kautta on pienempi kuin kriittinen virta, jännite on nolla. Heti kun virta ylittää kriittisen virran, jännite ei zerobut värähtelee ajoissa. Muutoksen havaitseminen ja mittaaminen tilasta toiseen on Josephsonin tehtävien monien sovellusten ydin.
Josephsonin liittymistä voidaan rakentaa elektronisia piirejä, erityisesti digitaalisia logiikkapiirejä. Monet tutkijat työskentelevät rakentaaulkonopeat tietokoneet Josephsonin logiikan avulla. Josephsonin liitokset voidaan myös muovata piireiksi, joita kutsutaan Mustekaloiksi.se on lyhenne suprajohtavasta Quantum-häirintälaitteesta. Nämä laitteet ovat erittäin herkkiä ja erittäin hyödyllisiä rakennettaessa erittäin herkkiä magnetometrejä ja voltmetrejä. Esimerkiksi voidaan tehdä volttimittari, jolla voidaan mitata pikovoltteja. Se on noin 1000 kertaa herkempi kuin muut käytettävissä olevat levymittarit.
kalmari koostuu silmukasta, jossa kaksi Josephsonin liittymää keskeyttää silmukan. ASQUID on erittäin herkkä silmukan alueen läpäisevän magneettikentän kokonaismäärälle–jännite, jonka mittaat laitteen poikki, korreloi hyvin voimakkaasti silmukan ympärillä olevaan kokonaismagneettikenttään.
mustekaloja käytetään tutkimukseen useilla eri aloilla. Koska aivot toimivat sähköisesti, neurologisten virtausten synnyttämiä magneettikenttiä aistimalla voi seurata aivojen toimintaa–tai sydämen toimintaa. Voit myös käyttää kalmari magnetometri geologiseen tutkimukseen, löytää jäänteitä menneisyyden geofysikaaliset muutokset maapallon kentän inrocks.
samoin ympäristön magneettikentän muutokset syntyvät meren pinnan alla kulkevista sukellusveneistä, ja Yhdysvaltain laivasto on erittäin kiinnostunut Mustekaloista sukellusveneiden havaitsemiseen. Kalmarit ovat myös huomattavan hyödyllisiä tutkimuslaboratoriossa erityisesti suunnitelluissa volttimittareissa, magnetometreissä ja suskeptometreissä sekä KALMARIMIKROSKOOPEISSA. Tässä viimeisessä mittalaitteessa mustekala skannataan näytteen pinnan poikki, ja magneettisuuden muutokset näytteen pinnalla tuottavat kuvan.
