Richard Newrock, professore di fisica all’Università di Cincinnati, ha studiato la fisica dei materiali superconduttori per 20 anni.Ecco la sua spiegazione.
Una giunzione Josephson è realizzata inserendo uno strato sottile di un materiale non superconduttore tra due strati di materiale superconduttore. I dispositivi prendono il nome da Brian Josephson, che predisse nel 1962 che coppie di elettroni superconduttori potevano”tunnel” attraverso la barriera non superconduttrice da un superconduttore all’altro. Ha anche predetto la forma esatta della corrente erelazioni di tensione per la giunzione. Il lavoro sperimentale ha dimostrato che aveva ragione e Josephson ha ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1973 per il suolavoro.
Per comprendere le caratteristiche uniche e importanti delle giunzioni Josephson, è prima necessario comprendere i concetti di base ecaratteristiche della superconduttività. Se si raffreddano molti metalli e leghe a temperature molto basse (entro 20 gradi o meno dello zero assoluto), si verifica una fasetransition. A questa “temperatura critica”, il metallo passa da quello che è noto come lo stato normale, dove ha resistenza elettrica, allo stato superconduttore, dove non c’è essenzialmente resistenza al flusso di corrente elettrica diretta. I nuovi superconduttori ad alta temperaturesuper, realizzati con materiali ceramici, presentano lo stesso comportamento ma a temperature più calde.
Ciò che accade è che glielettroni nel metallo si accoppiano. Al di sopra della temperatura critica, l’interazione netta tra due elettroni è ripugnante. Al di sotto della temperatura critica, tuttavia, l’interazione complessiva tra due elettroni diventa leggermente attraente, un risultato dell’interazione degli elettroni con il reticolo ionico del metallo.
Questa leggera attrazione consente loro di cadere in uno stato energetico inferiore, aprendo un “gap” energetico.”A causa del gap energetico e dello stato energetico inferiore, gli elettroni possono muoversi (e quindi la corrente può fluire) senza essere dispersi dagli ioni del reticolo. Quando gli ioni disperdono elettroni, provoca resistenza elettrica nei metalli. Non c’è resistenza elettrica in un superconduttore e quindi nessuna perdita di energia. Esiste, tuttavia, una supercorrente massima che può fluire, chiamata corrente critica. Al di sopra di questa corrente critica il materiale è normale. C’è un’altra proprietà molto importante: quando un metallo entra nello stato superconduttore, espelle tutti i campi magnetici, purché i campi magnetici non siano troppo grandi.
In una giunzione Josephson, la barriera non superconduttrice che separa i due superconduttori deve essere molto sottile. Se la barriera è un isolante, deve essere dell’ordine di 30 angstrom spessi o meno. Se la barriera è un altro metallo (non superconduttore), può avere lo stesso spessore di diversi micron. Fino a raggiungere una corrente critica, una supercorrente può fluire attraverso la barriera; coppie di elettroni possono tunnel attraverso la barriera senza alcuna resistenza. Ma quando la corrente critica viene superata, un’altra tensione si svilupperà attraverso la giunzione. Quella tensione dipenderà datempotime cioè, è una tensione CA. Questo a sua volta provoca un abbassamento della corrente critica della giunzione, causando un flusso di corrente ancora più normale–e una tensione CA più elevata.
La frequenza di questa tensione CA è di quasi 500 gigahertz (GHz) per millivolt attraverso la giunzione. Quindi, finché la correnteattraverso la giunzione è inferiore alla corrente critica, la tensione è zero. Non appena la corrente supera la corrente critica, la tensione non è zerobut oscilla nel tempo. Rilevare e misurare il cambiamento da uno stato all’altro è al centro delle molte applicazioni per Josephsonjunctions.
I circuiti elettronici possono essere costruiti dalle giunzioni Josephson, specialmente dai circuiti logici digitali. Molti ricercatori stanno lavorando alla costruzionecomputer ultraveloci che utilizzano la logica Josephson. Le giunzioni Josephson possono anche essere modellate in circuiti chiamati calamari, acronimo di superconductingquantum interference device. Questi dispositivi sono estremamente sensibili e molto utili nella costruzione di magnetometri e voltmetri estremamente sensibili. Ad esempio, si può creare un voltmetro in grado di misurare i picovolt. Questo è circa 1.000 volte più sensibile di altri availablevoltmeters.
Un SQUID è costituito da un loop con due giunzioni Josephson che interrompono il loop. ASQUID è estremamente sensibile alla quantità totale di campo magnetico che penetra nell’area del loop-la tensione che si misura attraverso il dispositivo è fortemente correlata al campo magnetico totale attorno al loop.
calamari vengono utilizzati per la ricerca in una varietà di settori. Dal momento che il cervello funziona elettricamente, si può, rilevando i campi magnetici creati dalle correnti neurologiche, monitorare l’attività del cervello the o ilcuore. È inoltre possibile utilizzare un magnetometro SQUID per la ricerca geologica, rilevando i resti dei cambiamenti geofisici passati del campo terrestre inrocce.
Allo stesso modo, i cambiamenti nel campo magnetico ambientale sono creati dai sottomarini che passano sotto la superficie dell’oceano, e la Marina degli Stati Uniti èmolto interessato ai calamari per il rilevamento dei sottomarini. I calamari sono anche di notevole utilità nel laboratorio di ricerca nei voltmetri appositamente progettati, nei magnetometri e nei susceptometri e nei microscopi a scansione dei CALAMARI. In questo ultimo strumento, un CALAMARO viene scansionato attraverso ilsuperficie di un campione e i cambiamenti nel magnetismo sulla superficie del campione producono un’immagine.
