Richard Newrock, professeur de physique à l’Université de Cincinnati, étudie la physique des matériaux supraconducteurs depuis 20 ans.Voici son explication.
Une jonction Josephson est réalisée en prenant en sandwich une fine couche d’un matériau non supraconducteur entre deux couches de matériau supraconducteur. Les dispositifs portent le nom de Brian Josephson, qui a prédit en 1962 que des paires d’électrons supraconducteurs pourraient « tunnel » à travers la barrière non supraconductrice d’un supraconducteur à un autre. Il a également prédit la forme exacte du courant etrelations de tension pour la jonction. Les travaux expérimentaux ont prouvé qu’il avait raison et Josephson a reçu le prix Nobel de physique de 1973 pour son travail.
Pour comprendre les caractéristiques uniques et importantes des jonctions Josephson, il faut d’abord comprendre les concepts et caractéristiques de base de la supraconductivité. Si vous refroidissez de nombreux métaux et alliages à des températures très basses (à moins de 20 degrés du zéro absolu), une transition de phase se produit. A cette « température critique », le métal passe de ce qu’on appelle l’état normal, où il a une résistance électrique, à l’état supraconducteur, où il n’y a pratiquement pas de résistance au flux de courant électrique continu. Les plus récents à haute températureles supraconducteurs, fabriqués à partir de matériaux céramiques, présentent le même comportement mais à des températures plus chaudes.
Ce qui se produit, c’est que lesélectrons dans le métal deviennent appariés. Au-dessus de la température critique, l’interaction nette entre deux électrons est répulsive. En dessous de la température critique, cependant, l’interaction globale entre deux électrons devient très légèrement attrayante, résultat de l’interaction des électrons avec le réseau ionique du métal.
Cette très légère attraction leur permet de tomber dans un état d’énergie plus faible, ouvrant un « gap » d’énergie. »En raison de l’écart d’énergie et de l’état d’énergie plus faible, les électrons peuvent se déplacer (et donc le courant peut circuler) sans être dispersés par les ions du réseau. Lorsqueles ions dispersent les électrons, cela provoque une résistance électrique dans les métaux. Il n’y a pas de résistance électrique dans un supraconducteur, et donc pas de perte d’énergie. Il existe cependant un supercourant maximal qui peut circuler, appelé courant critique. Au-dessus de ce courant critique, le matériau est normal. Thereis une autre propriété très importante: quand un métal entre dans l’état supraconducteur, il expulse tous les champs magnétiques, tant que les champs magnétiques ne sont pas trop grands.
Dans une jonction Josephson, la barrière non supraconductrice séparant les deux supraconducteurs doit être très fine. Si la barrière est un isolant, elle doit avoir une épaisseur de l’ordre de 30 angstroms ou moins. Si la barrière est un autre métal (non supraconducteur), elle peut avoir autant de microns d’épaisseur. Jusqu’à ce qu’un courant critique soit atteint, un supercourant peut traverser la barrière; les paires d’électrons peuvent traverser la barrière en tunnel sans résistance. Mais lorsque le courant critique est dépassé, une autre tension se développera à travers la jonction. Cette tension dépendra du tempstime c’est-à-dire qu’il s’agit d’une tension alternative. Cela entraîne à son tour une baisse du courant critique de la jonction, provoquant un courant encore plus normal flow et une tension alternative plus élevée.
La fréquence de cette tension alternative est de près de 500 gigahertz (GHz) par millivolt à travers la jonction. Donc, tant que le courantà travers la jonction est inférieur au courant critique, la tension est nulle. Dès que le courant dépasse le courant critique, la tension n’est pas nulle mais oscille dans le temps. La détection et la mesure du passage d’un état à l’autre sont au cœur des nombreuses applications des conjonctions Josephson.
Les circuits électroniques peuvent être construits à partir de jonctions Josephson, en particulier les circuits logiques numériques. De nombreux chercheurs travaillent sur la constructionordinateurs ultrarapides utilisant la logique Josephson. Les jonctions Josephson peuvent également être façonnées en circuits appelés SQUIDs – un acronyme pour supraconductingquantum interference device. Ces dispositifs sont extrêmement sensibles et très utiles pour la construction de magnétomètres et de voltmètres extrêmement sensibles. Par exemple, on peut fabriquer un voltmètre capable de mesurer des picovolts. C’est environ 1 000 fois plus sensible que les autres compteurs disponibles.
Un CALMAR est constitué d’une boucle avec deux jonctions Josephson interrompant la boucle. ASQUID est extrêmement sensible à la quantité totale de champ magnétique qui pénètre dans la zone de la boucle – la tension que vous mesurez à travers l’appareil est très fortement corrélée au champ magnétique total autour de la boucle.
Les calmars sont utilisés pour la recherche dans divers domaines. Puisque le cerveau fonctionne électriquement, on peut, en détectant les champs magnétiques créés par les courants neurologiques, surveiller l’activité du cerveauor ou du cœur. Vous pouvez également utiliser un magnétomètre SQUID pour la recherche géologique, détectant les restes de changements géophysiques passés des inrocks du champ terrestre.
De même, les changements dans le champ magnétique ambiant sont créés par les sous-marins passant sous la surface de l’océan, et la marine américaine est très intéressée par les calmars pour la détection des sous-marins. Les calmars sont également d’une utilisation considérable dans le laboratoire de recherche dans des voltmètres spécialement conçus, dans des magnétomètres et des susceptomètres et dans des microscopes à CALMAR à balayage. Dans ce dernier instrument, un CALMAR est scanné à travers la surface d’un échantillon, et les changements de magnétisme à la surface de l’échantillon produisent une image.
